DE102020211931A1 - Determination of a transfer function of a technical system - Google Patents

Determination of a transfer function of a technical system Download PDF

Info

Publication number
DE102020211931A1
DE102020211931A1 DE102020211931.7A DE102020211931A DE102020211931A1 DE 102020211931 A1 DE102020211931 A1 DE 102020211931A1 DE 102020211931 A DE102020211931 A DE 102020211931A DE 102020211931 A1 DE102020211931 A1 DE 102020211931A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
artificial neural
neural network
machine learning
layer
present
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020211931.7A
Other languages
German (de)
Inventor
Deniz Neufeld
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102020211931.7A priority Critical patent/DE102020211931A1/en
Priority to PCT/EP2021/076202 priority patent/WO2022063898A1/en
Publication of DE102020211931A1 publication Critical patent/DE102020211931A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/0265Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric the criterion being a learning criterion
    • G05B13/027Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric the criterion being a learning criterion using neural networks only
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02Systems involving the use of models or simulators of said systems electric
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • G06N3/04Architecture, e.g. interconnection topology
    • G06N3/044Recurrent networks, e.g. Hopfield networks
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • G06N3/08Learning methods

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Computational Linguistics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

System des maschinellen Lernens, insbesondere ein Recurrent Neural Networks, zum Bestimmen einer Übertragungsfunktion eines technischen Systems, umfassend mindestens eine künstliche neuronale Schicht, wobei eine der mindestens einen künstlichen neuronalen Schicht parallel mindestens zwei Differenzengleichungen abbildet.Machine learning system, in particular a recurrent neural network, for determining a transfer function of a technical system, comprising at least one artificial neural layer, wherein one of the at least one artificial neural layer maps at least two difference equations in parallel.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System, ein Verfahren, eine Verwendung, ein Computerprogramm sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Übertragungsfunktion für ein technisches System.The present invention relates to a system, a method, a use, a computer program and a device for determining a transfer function for a technical system.

Stand der TechnikState of the art

Herkömmlicherweise werden dynamische technische Systeme (z. B. elektrische Schaltungen, Hydrauliksysteme etc.) in der Systemtheorie und der Regelungstechnik mithilfe von parametrisierten Differenzialgleichungssystemen abgebildet. Die genauen Gleichungsparameter werden, falls unbekannt, über Versuche bestimmt.Traditionally, dynamic technical systems (e.g. electrical circuits, hydraulic systems, etc.) are mapped in system theory and control engineering using parameterized differential equation systems. If unknown, the exact equation parameters are determined by experiments.

Es ist bei komplexen Systemen mit diesem Verfahren oft nicht möglich, Übertragungsfunktionen nur über das Aufbringen einer Last und die Beobachtung der Systemantwort aufzustellen. Es ist für die erfolgreiche Systembeschreibung stets notwendig, die Struktur des zu modellierenden Systems im Vornherein zu kennen und so genau wie möglich zu modellieren.In the case of complex systems, it is often not possible with this method to set up transfer functions simply by applying a load and observing the system response. For a successful system description, it is always necessary to know the structure of the system to be modeled in advance and to model it as precisely as possible.

Systeme des maschinellen Lernens, darunter insbesondere künstliche neuronale Netze, sind ein verbreitetes Verfahren um datenbasiert komplexe Systeme zu modellieren. Bisher bekannte Architekturen zur Abbildung von Signalreihen auf Signalreihen, also zur Bestimmung der Übertragungsfunktion (Systemfunktionsbestimmung), lernen jedoch laut Stand der Technik bei dieser Problemstellung für den Menschen nicht verständliche Modelle. Aus diesem Grund werden in der Praxis Systeme des maschinellen Lernens meist verwendet, um den Fehler bereits vorhandener Simulationsmodelle zu verringern. Gründe dafür sind, dass zum einen aufgrund der hohen Dimensionalität nicht nachvollzogen werden kann, welche Funktion durch das System erlernt wurde: Es existiert bisher kein Verfahren, die Modelle auf grundlegende aus der Systemtheorie bereits bekannte Bausteine für die Systemdimensionierung (z. B. P-, I-, D-, PT1-Glieder etc.) oder auch polynomielle Funktionen abzubilden. Zum anderen, ist die Interpretierbarkeit dieser Netze für den Menschen nicht ohne Weiteres möglich, sondern benötigt zusätzliche anwendungsfallabhängige Verfahren. Durch das Verwenden der Systeme für die Verbesserung der Simulation wird der maximale Einfluss der Systeme auf das Endergebnis und somit der maximale Fehler zwar begrenzt, kann aber nicht völlig ausgeschlossen werden.Machine learning systems, including artificial neural networks in particular, are a common method for modeling complex data-based systems. Previously known architectures for mapping signal series to signal series, ie for determining the transfer function (system function determination), however, according to the prior art, learn models that are not understandable to humans when dealing with this problem. For this reason, in practice, machine learning systems are mostly used to reduce the error of existing simulation models. The reasons for this are that, on the one hand, due to the high dimensionality, it is not possible to understand which function the system has learned: Up until now, there has been no method that applies models to fundamental building blocks for system dimensioning that are already known from system theory (e.g. P- , I, D, PT1 elements, etc.) or to map polynomial functions. On the other hand, the interpretability of these networks for humans is not easily possible, but requires additional application-dependent methods. By using the systems to improve the simulation, the maximum influence of the systems on the end result and thus the maximum error is limited, but cannot be completely ruled out.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein System des maschinellen Lernens zum Bestimmen einer Übertragungsfunktion eines technischen Systems.Against this background, the present invention creates a machine learning system for determining a transfer function of a technical system.

Das System umfasst dabei mindestens eine künstliche neuronale Schicht.The system includes at least one artificial neural layer.

Das System zeichnet sich dabei dadurch aus, dass eine der mindestens einen künstlichen neuronalen Schicht parallel mindestens zwei Differenzengleichungen abbildet.The system is characterized in that one of the at least one artificial neural layer maps at least two difference equations in parallel.

Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass zur Abbildung von dynamischen Systemen eine Schicht für ein System des maschinellen Lernens, insbesondere ein künstliches neuronales Netz, derart aufgebaut sein kann, dass intern mindestens zwei Differenzengleichungen parallel zueinander abgebildet werden können.The invention is based on the finding that, to map dynamic systems, a layer for a machine learning system, in particular an artificial neural network, can be constructed in such a way that internally at least two difference equations can be mapped parallel to one another.

Eine solche Schicht eignet sich zum Aufbau von rekurrenten künstlichen neuronalen Netzen. Künstliche neuronale Netze dieser Art können eingesetzt werden, um Zeitreihen (Sollwert I y) in Abhängigkeit von Zeitreihen (Eingabe | x) vorherzusagen.Such a layer is suitable for building recurrent artificial neural networks. Artificial neural networks of this type can be used to predict time series (set value I y) depending on time series (input | x).

Abhängig davon, welche Arten von Systemverhalten erwartet werden, kann die künstliche neuronale Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung entsprechende Differenzformeln umfassen.Depending on what types of system behavior are expected, the artificial neural layer according to the present invention may include appropriate difference formulas.

So kann die allgemeine Differenzenformel y ( k ) = ƒ ( y ( k 1 ) , y ( k 2 ) , , y ( k n ) , x ( k 1 ) , y ( k 2 ) , , y ( k n ) )

Figure DE102020211931A1_0001
für diskrete dynamische Systeme verwendet werden.So the general difference formula y ( k ) = ƒ ( y ( k 1 ) , y ( k 2 ) , ... , y ( k n ) , x ( k 1 ) , y ( k 2 ) , ... , y ( k n ) )
Figure DE102020211931A1_0001
can be used for discrete dynamical systems.

Ferner können die aus der Systemtheorie bekannten Differenzengleichungen verwendet werden.Furthermore, the difference equations known from system theory can be used.

Dadurch, dass mittels der aus der Systemtheorie bekannten Differenzgleichungen, insbesondere der Gleichen zu den Grundgliedern, nämlich derjenigen zu P-, I-, D-, PT1- oder PD- Gliedern, im Wesentlichen alle linearen Systeme beschreibbar sind, werden bei Einsatz dieser Differenzengleichungen im Rahmen des Trainingsprozesses der Beitrag von im Modell ggf. nicht benötigter Funktionen minimiert. Diese führt wiederrum zu vergleichsweise kleinen und wenig komplexen Netzen, die zur Inferenzzeit auf einfacher Hardware ausgeführt werden können. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Umsetzung der Erfindung.Due to the fact that essentially all linear systems can be described using the difference equations known from systems theory, in particular those that are the same as the basic elements, namely those for P, I, D, PT1 or PD elements, when these difference equations are used the contribution of functions that may not be required in the model is minimized as part of the training process. This in turn leads to comparatively small and less complex networks that can be executed on simple hardware at inference time. This enables the invention to be implemented simply and inexpensively.

Zudem ist es denkbar, dass anstelle der Grundglieder eine Konkatenation von Grundgliedern, bspw. ein PID-Glied, verwendet wird. Die kennzeichnende Schicht des Systems des maschinellen Lernens gemäß der vorliegenden Erfindung kann dazu eine entsprechende Abbildung aufweisen.In addition, it is conceivable that a concatenation of basic elements, for example a PID element, is used instead of the basic elements. The characteristic layer of the machine learning system according to the present invention can have a corresponding mapping thereto.

Unter einem System des maschinellen Lernens kann vorliegend ein künstliches neuronales Netz verstanden werden.In the present case, a system of machine learning can be understood to mean an artificial neural network.

Bei dem System kann es sich um ein Recurrent Neural Networks handeln.The system can be a recurrent neural network.

Ein technisches System kann dabei u. a. ein System zum zumindest teilweise automatisierten Fahren, ein System zur automatisierten Inspektion bspw. eines Produktionsprozesses.A technical system can e.g. a system for at least partially automated driving, a system for the automated inspection of a production process, for example.

Ferner kann vorliegend ein technisches System ein industrielles mechanisches, hydraulisches und elektrisches System auf Basis von Analogen Eingangs- und Ausgangssignalen sein Insbesondere Bremssysteme (hydraulisch, elektrisch).Furthermore, in the present case, a technical system can be an industrial mechanical, hydraulic and electrical system based on analog input and output signals, in particular braking systems (hydraulic, electrical).

Mittels des Systems des maschinellen Lernens gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich Übertragungsfunktionen eines technischen Systems bestimmen, ohne dass vorher die Aufstellung von Systemgleichungen erfolgen muss.Using the system of machine learning according to the present invention, transfer functions of a technical system can be determined without having to set up system equations beforehand.

Mithilfe der vorliegenden Erfindung können automatisiert Systemmodelle auf Basis ihrer Eingangs- und Ausgangsmessreihen ohne (oder zur Ergänzung von) nummerischen Simulationsmodelle aufgebaut und automatisch parametrisiert werden.With the help of the present invention, system models can be constructed and automatically parameterized based on their input and output measurement series without (or in addition to) numerical simulation models.

Die resultierenden Modelle sind für den Fachmann leichter verständlich. Die gelernten Parameter können mithilfe von bisher bekannten Techniken aus der Systemtheorie validiert werden. So lassen sie sich bspw. im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen des maschinellen Lernens in die bekannten Laplace- oder z-Darstellung überführen. Somit ist es zudem möglich, die Stabilität des Systems oder ähnliche Eigenschaften mit den bereits bekannten Verfahren herzuleiten.The resulting models are easier for those skilled in the art to understand. The learned parameters can be validated using previously known techniques from systems theory. For example, in contrast to conventional machine learning systems, they can be converted into the well-known Laplace or z-representation. It is thus also possible to derive the stability of the system or similar properties using the methods already known.

Die vorliegende Erfindung und deren Einsatz bieten demnach eine ganze Reihe von Vorteilen.The present invention and its use accordingly offer a whole range of advantages.

So, muss das Systemmodell nicht mehr explizit vorgegeben werden, da die Parameter nummerisch bestimmt werden.In this way, the system model no longer has to be specified explicitly, since the parameters are determined numerically.

Im Vergleich zu üblichen Parameter-basierten Systemen des maschinellen Lernens, insbesondere künstlichen neuronalen Netzen, kann die Anzahl an zu erlernenden Parametern kleiner sein. Dadurch kann das resultierende System des maschinellen Lernens zur Inferenz mit einfacher Hardware verwendet werden. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Umsetzung der Erfindung.Compared to usual parameter-based machine learning systems, in particular artificial neural networks, the number of parameters to be learned can be smaller. This allows the resulting machine learning system to be used for inference with simple hardware. This enables the invention to be implemented simply and inexpensively.

Das System des maschinellen Lernens gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich mittels der von Recurrent Neural Network bekannten Schnittstellen umsetzen. Dies führt dazu, dass das System des maschinellen Lernens gemäß der vorliegenden Erfindung auf einfache Art und Weise als Teil eines umfassenden Systems des maschinellen Lernens, bspw. eines künstlichen neuronalen Netzes verwendet werden kann.The machine learning system according to the present invention can be implemented using the interfaces known from Recurrent Neural Network. As a result, the machine learning system according to the present invention can easily be used as part of a comprehensive machine learning system, e.g. an artificial neural network.

Im Falle, dass die kennzeichnende Schicht des Systems des maschinellen Lernens gemäß der vorliegenden Erfindung die aus der Systemtheorie bekannten Grundglieder abbildet, so gilt für die Ausgabe y(t) in Abhängigkeit von der Eingabe x(t): p ( t ) = K P x ( t )

Figure DE102020211931A1_0002
i ( t ) = 1 T I 0 τ x ( t ) d t
Figure DE102020211931A1_0003
d ( t ) = K D d d t u ( t )
Figure DE102020211931A1_0004
p t 1 ( t ) = K P T 1 x ( t ) T P T 1 d d t y ( t )
Figure DE102020211931A1_0005
p d ( t ) = K P D ( T P D d d t y ( t ) + y ( t ) )
Figure DE102020211931A1_0006
y ( t ) = [ i ( t ) , d ( t ) , p t 1 ( t ) , p d ( t ) , p ( t ) ]
Figure DE102020211931A1_0007
If the characterizing layer of the system of machine learning according to the present invention maps the basic elements known from system theory, the following applies to the output y(t) depending on the input x(t): p ( t ) = K P x ( t )
Figure DE102020211931A1_0002
i ( t ) = 1 T I 0 τ x ( t ) i.e t
Figure DE102020211931A1_0003
i.e ( t ) = K D i.e i.e t and ( t )
Figure DE102020211931A1_0004
p t 1 ( t ) = K P T 1 x ( t ) T P T 1 i.e i.e t y ( t )
Figure DE102020211931A1_0005
p i.e ( t ) = K P D ( T P D i.e i.e t y ( t ) + y ( t ) )
Figure DE102020211931A1_0006
y ( t ) = [ i ( t ) , i.e ( t ) , p t 1 ( t ) , p i.e ( t ) , p ( t ) ]
Figure DE102020211931A1_0007

Die Bildung der Differenzengleichung der Glieder erfolgt über eine Diskretisierung, beispielsweise über Euler 1. Ordnung. Dieser Schritt ist abhängig von der Abtastrate, wodurch diese als Δt Teil des künstlichen neuronalen Netzes wird. Für die Modellierung von Multi-Input-Multi-Output Systemen werden die konstanten Faktoren K und Zeitkonstanten T als Matrizen formuliert und stellen die trainierbaren Gewichte in der Schicht dar.The formation of the difference equation of the terms takes place via a discretization, for example via Euler 1st order. This step depends on the sampling rate, which makes it part of the artificial neural network as Δt . For the modeling of multi-input-multi-output systems, the constant factors K and time constants T are formulated as matrices and represent the trainable weights in the shift.

Da im Gegensatz zu bisherigen sequentiellen Modellen in den Differenzengleichungen der Parameter Δt (Abtastrate) vorkommt, kann das resultierende Modell auf einer ersten Abtastrate trainiert und auf einer zweiten, von der ersten verschiedenen, Abtastrate zur Inferenz verwendet werden Ferner kann verwendete Abtastrate zwischen Trainingsschritten verändert werden.Since, in contrast to previous sequential models, the parameter Δ t (sampling rate) occurs in the difference equations, the resulting model can be trained at a first sampling rate and used for inference at a second sampling rate that is different from the first. Furthermore, the sampling rate used can be changed between training steps will.

Dabei wurde beobachtet, dass Menge der Unterschiede im Ergebnis bei geänderter Abtastrate auf die Stabilität des Modells schließen lässt.It was observed that the number of differences in the result with a changed sampling rate indicates the stability of the model.

Dies führt zu dem weiteren Vorteil, dass das System des maschinellen Lernens gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer ersten, vergleichsweise groben, Abtastrate trainiert werden kann und zur Inferenzzeit auf einer zweiten, vergleichsweise feinen, Abtastrate ausgeführt werden kann. Durch diese Eigenschaft des Systems des maschinellen Lernens gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich die Trainingszeit des Systems signifikant reduzieren.This leads to the further advantage that the machine learning system according to the present invention can be trained with a first, comparatively coarse, sampling rate and can be executed at a second, comparatively fine, sampling rate at inference time. This property of the machine learning system according to the present invention can significantly reduce the training time of the system.

Nach einer Ausführungsform des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung repräsentiert eine der mindestens zwei Differenzengleichungen ein P-Glied bzw. ein I-Glied bzw. ein D-Glied bzw. ein PT1-Glied bzw. ein PD-Glied, welche aus der Systemtheorie bzw. der Regelungstechnik bekannt sind.According to one embodiment of the system according to the present invention, one of the at least two difference equations represents a P element or an I element or a D element or a PT1 element or a PD element, which are derived from system theory or known to control engineering.

Nach einer Ausführungsform des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung weist das System mindestens eine künstliche neuronale Netzschicht zum Zusammenführen der Ausgaben der mindestens einen künstlichen neuronalen Schicht auf, d. h. eine Schicht eines künstlichen neuronalen Netzes, die dazu geeignet ist, die Ausgabedimensionen zu verkleinern. Eine solche Schicht kann beispielsweise eine Fully Connected Schicht, eine Convolutional Neural Network Schicht oder eine Recurrent Neural Network Schicht sein.According to an embodiment of the system according to the present invention, the system comprises at least one artificial neural network layer for merging the outputs of the at least one artificial neural network layer, i. H. an artificial neural network layer capable of reducing the output dimensions. Such a layer can be, for example, a fully connected layer, a convolutional neural network layer or a recurrent neural network layer.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Übertragungsfunktion eines technischen Systems in Abhängigkeit von einer ersten Reihe an Eingangsdaten und einer zweiten Reihe an Ausgangsdaten, mittels eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung.A further aspect of the present invention is a method for determining a transfer function of a technical system as a function of a first series of input data and a second series of output data, using a system according to the present invention.

Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch das Training des Systems des maschinellen Lernens gemäß der vorliegenden Erfindung die Übertragungsfunktion des technischen Systems erlernt und somit bestimmt wird. Anhand der erfindungsgemäßen Gestaltung der kennzeichnenden Schicht des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Übertragungsfunktion abgeleitet werden.This aspect of the present invention is based on the finding that the transfer function of the technical system is learned and thus determined by the training of the machine learning system according to the present invention. Based on the inventive design of the characteristic layer of the system according to the present invention, the transfer function can be derived.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Systems des maschinellen Lernens gemäß der vorliegenden Erfindung zur Zustandsüberwachung des technischen Systems.A further aspect of the present invention is the use of a machine learning system according to the present invention for status monitoring of the technical system.

Dieser Aspekt basiert auf der Erkenntnis, dass die durch das erfindungsgemäße System des maschinellen Lernens erlernte Übertragungsfunktion des zu überwachenden technischen Systems die korrekten Zustandsübergänge wiederspiegelt.This aspect is based on the finding that the transfer function of the technical system to be monitored that is learned by the machine learning system according to the invention reflects the correct state transitions.

Zur Überwachung des technischen Systems können nunmehr die Eingangsdaten sowohl dem technischen System als auch dem zu seiner Überwachung eingesetzten, entsprechende trainierten System des maschinellen Lernens zugeführt werden. Über einen Abgleich der Ausgangsdaten und ggf. dem Vorsehen eines Toleranzbereichs für etwaige Abweichungen kann der Zustand des technischen Systems mittels des Systems des maschinellen Lernens überwacht werden.In order to monitor the technical system, the input data can now be supplied both to the technical system and to the correspondingly trained machine learning system used to monitor it. The status of the technical system can be monitored by means of the machine learning system by comparing the initial data and, if necessary, providing a tolerance range for any deviations.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Systems des maschinellen Lernens gemäß der vorliegenden Erfindung als digitaler Regler.Another aspect of the present invention is the use of a machine learning system according to the present invention as a digital controller.

Dieser Aspekt basiert auf der Erkenntnis, dass ein System des maschinellen Lernens gemäß der vorliegenden Erfindung eine Übertragungsfunktion eines technischen Systems erlernt. Dies kann genutzt werden, um ein trainiertes System des maschinellen Lernens gemäß der vorliegenden Erfindung mit Eingangsdaten zu beaufschlagen und die Ausgangsdaten als Steuergrößen für einen digitalen Regler zu verwenden.This aspect is based on the knowledge that a machine learning system according to the present invention learns a transfer function of a technical system. This can be used to apply input data to a trained machine learning system according to the present invention and to use the output data as control variables for a digital controller.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist alle Schritte des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen.A further aspect of the present invention is a computer program which is set up to carry out all the steps of the method according to the present invention.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gespeichert ist.Another aspect of the present invention is a machine-readable storage medium on which the computer program according to an aspect of the present invention is stored.

Ein weiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung, welche eingerichtet ist alle Schritte des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen.A further aspect of the present invention is a device which is set up to carry out all the steps of the method according to the present invention.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Es zeigen

  • 1 eine schematische Darstellung einer Schicht für ein künstliches neuronales Netz gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung von Schichten für ein künstliches neuronales Netz gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine schematische Darstellung einer Architektur eines künstlichen neuronalen Netzes;
  • 4 eine schematische Darstellung eines trainierten künstlichen neuronalen Netzes.
Show it
  • 1 Figure 12 is a schematic representation of an artificial neural network layer according to the present invention;
  • 2 Figure 12 shows a schematic representation of layers for an artificial neural network according to the present invention;
  • 3 a schematic representation of an architecture of an artificial neural network;
  • 4 a schematic representation of a trained artificial neural network.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schicht für ein künstliches neuronales Netz, die das Verhalten von P-, I-, D-, PT1- und PD-Gliedern aus der Systemtheorie abbildet. 1 shows a schematic representation of a layer for an artificial neural network, which maps the behavior of P, I, D, PT1 and PD elements from system theory.

Im Zeitbereich würde für die Ausgabe y(t) der Schicht in Abhängigkeit von der Eingabe x(t) folgendes gelten: p ( t ) = K P x ( t )

Figure DE102020211931A1_0008
i ( t ) = 1 T I 0 τ x ( t ) d t t
Figure DE102020211931A1_0009
d ( t ) = K D d d t u ( t )
Figure DE102020211931A1_0010
p t 1 ( t ) = K P T 1 x ( t ) T P T 1 d d t y ( t )
Figure DE102020211931A1_0011
p d ( t ) = K P D ( T P D d d t y ( t ) + y ( t ) )
Figure DE102020211931A1_0012
y ( t ) = [ i ( t ) , d ( t ) , p t 1 ( t ) , p d ( t ) , p ( t ) ] ( K o n k a t i n a t i o n )
Figure DE102020211931A1_0013
In the time domain, the following would apply to the output y(t) of the layer depending on the input x(t): p ( t ) = K P x ( t )
Figure DE102020211931A1_0008
i ( t ) = 1 T I 0 τ x ( t ) i.e t t
Figure DE102020211931A1_0009
i.e ( t ) = K D i.e i.e t and ( t )
Figure DE102020211931A1_0010
p t 1 ( t ) = K P T 1 x ( t ) T P T 1 i.e i.e t y ( t )
Figure DE102020211931A1_0011
p i.e ( t ) = K P D ( T P D i.e i.e t y ( t ) + y ( t ) )
Figure DE102020211931A1_0012
y ( t ) = [ i ( t ) , i.e ( t ) , p t 1 ( t ) , p i.e ( t ) , p ( t ) ] ( K O n k a t i n a t i O n )
Figure DE102020211931A1_0013

Die Bildung der Differenzengleichung der Glieder, wie sie in 1 zu sehen sind, erfolgt über eine Diskretisierung, beispielsweise über Euler 1. Ordnung.The formation of the difference equation of the terms as given in 1 can be seen, takes place via a discretization, for example via Euler 1st order.

Dazu wird wie im Ingenieursbereich üblich y(t) ersetzt durch: y ˙ ( t ) = y ( k ) y ( k 1 ) Δ t

Figure DE102020211931A1_0014
As usual in engineering, y(t) is replaced by: y ˙ ( t ) = y ( k ) y ( k 1 ) Δ t
Figure DE102020211931A1_0014

Dieser Schritt ist abhängig von der Abtastrate Δt, wodurch diese als Δt Teil des künstlichen neuronalen Netzes wird.This step depends on the sampling rate Δt, which makes it part of the artificial neural network as Δt.

Im Ergebnis werden die nachstehenden aufgeführten diskreten rekurrenten Gleichungen mit einem Sample k als Eingabe und einem Zeitschritten zwischen den Sampeln von Δt: p ( k ) = K P x ( k )

Figure DE102020211931A1_0015
i ( k ) = i ( k 1 ) + Δ t T I x ( k )
Figure DE102020211931A1_0016
d ( k ) = T D Δ t ( x ( k ) x ( k 1 ) )
Figure DE102020211931A1_0017
p d ( k ) = K P D ( x ( k ) + T P D Δ t ( x ( k ) x ( k 1 ) ) )
Figure DE102020211931A1_0018
p t ( k ) = p t ( k 1 ) + ( K P T 1 x ( k ) p t ( k 1 ) ) Δ t Δ t + T P T 1
Figure DE102020211931A1_0019
Wobei alle K, T > 0 seien.The result is the following discrete recurrent equations with a sample k as input and a time step between samples of Δt: p ( k ) = K P x ( k )
Figure DE102020211931A1_0015
i ( k ) = i ( k 1 ) + Δ t T I x ( k )
Figure DE102020211931A1_0016
i.e ( k ) = T D Δ t ( x ( k ) x ( k 1 ) )
Figure DE102020211931A1_0017
p i.e ( k ) = K P D ( x ( k ) + T P D Δ t ( x ( k ) x ( k 1 ) ) )
Figure DE102020211931A1_0018
p t ( k ) = p t ( k 1 ) + ( K P T 1 x ( k ) p t ( k 1 ) ) Δ t Δ t + T P T 1
Figure DE102020211931A1_0019
Where all K, T > 0.

Für die Modellierung von Multi-Input-Multi-Output Systemen werden die Faktoren K und T als Matrizen formuliert und stellen die trainierbaren Gewichte in der Schicht dar.For the modeling of multi-input-multi-output systems, the factors K and T are formulated as matrices and represent the trainable weights in the shift.

Die Werte des Modells können wie bei künstlichen neuronalen Netzen üblich mittels bspw. des Gradientenabstiegsverfahrens (z. B. über einen Adam-Optimierer oder Stochastic Gradient Descent) erlernt werden. Auch das Training über mehrere Batches zugleich ist denkbar.As is usual with artificial neural networks, the values of the model can be learned using, for example, the gradient descent method (eg via an Adam optimizer or stochastic gradient descent). Training over several batches at the same time is also conceivable.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines künstlichen neuronalen Netzes bzw. eines Teiles eines künstlichen neuronalen Netzes, in dem Schichten für ein künstliches neuronales Netz gemäß der vorliegenden Erfindung zu Anwendung kommen. 2 Fig. 12 shows a schematic representation of an artificial neural network or a part of an artificial neural network in which layers for an artificial neural network according to the present invention are used.

Konkret zeigt 2 dabei die Aneinanderreihung von zwei Schichten für ein künstliches neuronales Netz gemäß der vorliegenden Erfindung.Concrete shows 2 thereby the juxtaposition of two layers for an artificial neural network according to the present invention.

Die Darstellung verdeutlicht, dass sich die Schicht für ein künstliches neuronales Netz gemäß der vorliegenden Erfindung auf einfache Art und Weise aneinanderreihen lassen. Dabei werden die jeweiligen Ausgaben der parallelen Abbildungen als Eingaben für eine weitere Schicht behandelt. Es wird dadurch deutlich, dass dadurch die Dimensionen entsprechend auffächern.The illustration makes it clear that the layers for an artificial neural network according to the present invention can be lined up in a simple manner. The respective outputs of the parallel mappings are treated as inputs for a further layer. This makes it clear that the dimensions fan out accordingly.

Je nach Anwendungsfall sind daher geeignete Maßnahmen zu treffen, um der Auffächerung der Dimensionen entgegenzuwirken. Bspw. können dafür die bekannten Fully Connected (FC) Schichten eingesetzt werden.Depending on the application, suitable measures must therefore be taken to counteract the diversification of the dimensions. For example, the well-known Fully Connected (FC) layers can be used for this.

Ferner können nichtlineare Aktivierungsfunktionen in der Architektur eines entsprechenden künstlichen neuronalen Netzes anwendet werden. Dadurch kann eine Architektur erreicht werden, die von den Hammerstein-Wiener Modellen zur Modellierung von statischen Nicht-Linearitäten in Daten bekannt ist.Furthermore, non-linear activation functions can be applied in the architecture of a corresponding artificial neural network. This allows an architecture known from the Hammerstein-Wiener models for modeling static non-linearities in data to be achieved.

Ist mit verrauschten Eingangsdaten zu rechnen, bspw. aufgrund von Rauschbehafteten Sensordaten, so können zusätzlichen Convolutional Schichten eingesetzt werden.If noisy input data is to be expected, e.g. due to noisy sensor data, additional convolutional layers can be used.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines künstlichen neuronalen Netzes bzw. eines Teiles eines künstlichen neuronalen Netzes umfassend eine Kaskade von Schichten für ein künstliches neuronales Netz gemäß der vorliegenden Erfindung. 3 shows a schematic representation of an artificial neural network or a part of an artificial neural network comprising a cascade of layers for an artificial neural network according to the present invention.

Die Ausgabe der Kaskade von Schichten für ein künstliches neuronales Netz gemäß der vorliegenden Erfindung wird dabei in ein Fully Connected künstliches neuronales Netz überführt.The output of the cascade of layers for an artificial neural network according to the present invention is converted into a fully connected artificial neural network.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines künstlichen neuronalen Netzes bzw. eines Teiles eines künstlichen neuronalen Netzes umfassend eine Kaskade von Schichten für ein künstliches neuronales Netz gemäß der vorliegenden Erfindung. 4 shows a schematic representation of an artificial neural network or a part of an artificial neural network comprising a cascade of layers for an artificial neural network according to the present invention.

Die Ausgabe der Kaskade von Schichten für ein künstliches neuronales Netz gemäß der vorliegenden Erfindung wird dabei in ein Fully Connected künstliches neuronales Netz überführt.The output of the cascade of layers for an artificial neural network according to the present invention is thereby converted into a fully connected artificial neural network.

Die Darstellung zeigt dabei ein resultierendes künstliches neuronales Netz nach dem Training. Zu diesem Zeitpunkt liegen die Gewichte der Aktivierungsfunktionen. Anhand der Auswertung der Gewichte bzw. deren Verteilung lassen sich Informationen über das modellierte dynamische System ableiten, anhand deren das resultierende künstliche neuronale Netz interpretiert werden kann.The representation shows a resulting artificial neural network after training. At this time the weights of the activation functions lie. Based on the evaluation of the weights or their distribution, information about the modeled dynamic system can be derived, based on which the resulting artificial neural network can be interpreted.

Die Interpretierbarkeit rührt daher, dass die Schichten für ein künstliches neuronales Netz gemäß der vorliegenden Erfindung das zeitabhängige Systemverhalten des modellierten Systems repräsentieren, während der Fully Connected Teil des resultierenden künstlichen neuronalen Netzes den relevanten Einfluss auf die Dynamik des Models repräsentiert.The interpretability stems from the fact that the layers for an artificial neural network according to the present invention represent the time-dependent system behavior of the modeled system, while the fully connected part of the resulting artificial neural network represents the relevant influence on the dynamics of the model.

Umso höher das entsprechende Gewicht der Fully Connect Schicht bzw. des Fully Connected Teils des resultierenden künstlichen neuronalen Netzes ausfällt, umso höher ist der signifikante Einfluss der entsprechenden Abbildung für die Modellierung des dynamischen Systems.The higher the corresponding weight of the fully connected layer or the fully connected part of the resulting artificial neural network, the greater the significant influence of the corresponding mapping for the modeling of the dynamic system.

Aufgrund der Tatsache, dass die Gewichte der Fully Connect Schicht bzw. des Fully Connected Teils des resultierenden künstlichen neuronalen Netzes global und in zeitunabhängiger Weise zu interpretieren sind, können die jeweiligen Kantengewichte als globale Bedeutung des entsprechenden Pfads des Teils des resultierenden künstlichen neuronalen Netzes interpretiert werden.Due to the fact that the weights of the fully connected layer or the fully connected part of the resulting artificial neural network are to be interpreted globally and in a time-independent manner, the respective edge weights can be interpreted as the global meaning of the corresponding path of the part of the resulting artificial neural network .

In dem bspw. künstlichen neuronalen Netz dargestellt in 4 haben die P-, I- und PT1-Glieder mit 0,5, 1,5 und 0,8 einen signifikanten höheren Einfluss auf das modellierte System als die D- und I-Glieder mit lediglich 0,1, und 0,2. Daraus kann abgleitet werden, dass das modellierte System vorwiegend die Eigenschaften von P-, I- und PT1-Gliedern aufweist.In the e.g. artificial neural network shown in 4 the P, I and PT1 terms with 0.5, 1.5 and 0.8 have a significantly higher influence on the modeled system than the D and I terms with only 0.1 and 0.2. From this it can be deduced that the modeled system mainly has the properties of P, I and PT1 elements.

Claims (9)

System des maschinellen Lernens, insbesondere ein Recurrent Neural Networks, zum Bestimmen einer Übertragungsfunktion eines technischen Systems, umfassend mindestens eine künstliche neuronale Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass eine der mindestens einen künstlichen neuronalen Schicht parallel mindestens zwei Differenzengleichungen abbildet.Machine learning system, in particular a recurrent neural network, for determining a transfer function of a technical system, comprising at least one artificial neural layer, characterized in that one of the at least one artificial neural layer maps at least two difference equations in parallel. System nach Anspruch 1, wobei eine der mindestens zwei Differenzengleichungen ein P-Glied und/oder ein I-Glied und/oder ein D-Glied und/oder ein PT1-Glied und/oder ein PD-Glied repräsentiert.system after claim 1 , wherein one of the at least two difference equations represents a P element and/or an I element and/or a D element and/or a PT1 element and/or a PD element. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das System mindestens eine Schicht eines künstlichen neuronalen Netzes zum Zusammenführen der Ausgaben der mindestens einen andere künstliche neuronalen Schicht, beispielsweise eine Fully Connected Schicht und/oder eine Recurrent Neural Network Schicht oder eine Convolutional Neural Network Schicht, aufweist.system after claim 1 or 2 , wherein the system has at least one layer of an artificial neural network for merging the outputs of the at least one other artificial neural layer, for example a fully connected layer and/or a recurrent neural network layer or a convolutional neural network layer. Verfahren zum Bestimmen einer Übertragungsfunktion eines technischen Systems in Abhängigkeit von einer ersten Reihe an Eingangsdaten und einer zweiten Reihe an Ausgangsdaten, mittels eines Systems des maschinellen Lernens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, insbesondere durch Training des Systems des maschinellen Lernens in Abhängigkeit von der ersten Reihe an Eingangsdaten und/oder der zweiten Reihe an Ausgangsdaten.Method for determining a transfer function of a technical system as a function of a first series of input data and a second series of output data, using a machine learning system according to one of Claims 1 until 3 , especially by training the sys machine learning systems depending on the first set of input data and/or the second set of output data. Verwendung eines Systems des maschinellen Lernens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Zustandsüberwachung des technischen Systems.Using a machine learning system according to any of the Claims 1 until 3 for status monitoring of the technical system. Verwendung eines Systems des maschinellen Lernens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als digitaler Regler.Using a machine learning system according to any of the Claims 1 until 3 as a digital controller. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach Anspruch 4 auszuführen.Computer program that is set up to follow all the steps of a method claim 4 to execute. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm nach Anspruch 6 gespeichert ist.Machine-readable storage medium on which a computer program claim 6 is saved. Vorrichtung, welche eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach Anspruch 4 auszuführen.Device which is set up to follow all the steps of a method claim 4 to execute.
DE102020211931.7A 2020-09-23 2020-09-23 Determination of a transfer function of a technical system Pending DE102020211931A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020211931.7A DE102020211931A1 (en) 2020-09-23 2020-09-23 Determination of a transfer function of a technical system
PCT/EP2021/076202 WO2022063898A1 (en) 2020-09-23 2021-09-23 Ascertaining a transfer function of a technical system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020211931.7A DE102020211931A1 (en) 2020-09-23 2020-09-23 Determination of a transfer function of a technical system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020211931A1 true DE102020211931A1 (en) 2022-03-24

Family

ID=78008154

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020211931.7A Pending DE102020211931A1 (en) 2020-09-23 2020-09-23 Determination of a transfer function of a technical system

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102020211931A1 (en)
WO (1) WO2022063898A1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022063898A1 (en) 2022-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102004026979B4 (en) Multiple input / multiple output control blocks with non-linear prediction capabilities
DE19727215A1 (en) Hydraulic actuating element and control-with-feedback device for testing strength of material sample under vibrational loading of materials test-machine
EP1715352A2 (en) Method and apparatus for diagnosing failures in a mechatronic system
DE4406723A1 (en) Method for monitoring the operational state of a machine or installation
EP1327959B1 (en) Neural network for modelling a physical system and method for building the neural network
DE1523535C3 (en) Self-adapting control loop
DE10355022B4 (en) Method for monitoring a technical system
DE69919527T2 (en) Method and device for identifying a physical system
DE102020211931A1 (en) Determination of a transfer function of a technical system
DE102019203631A1 (en) Method and device for modeling a power semiconductor module
DE102020119853B3 (en) Method for controlling an automation system with visualization of program objects of a control program of the automation system and automation system
DE102013206285A1 (en) Method and apparatus for creating a non-parametric, data-based function model
EP3491517B1 (en) Signal flow-based computer program with direct feedthrough loops
EP1483633B1 (en) Method for simulating a technical system and simulator
WO2020193243A1 (en) Method for virtually testing a system control process, and simulation device
DE10065920B4 (en) Sensor system fault detector for air data systems compares cost function with threshold
DE102016113310A1 (en) A method for evaluating statements of a plurality of sources about a plurality of facts
WO1999038024A1 (en) Method for computer assisted optimization of inspection specifications and minimization of test software
DE19727795C1 (en) Process modelling method for neural network
DE3005103A1 (en) Electrical adaptive control system - provides optimised regulator performance by comparison of regulator standard function with optimum transfer function
EP3699699A1 (en) Method for providing a model for at least one machine, training system, method for simulating an operation of a machine and simulation system
DE102021212524A1 (en) Method of operating a sensor
DE102020118556A1 (en) Valve positioner, process plant with valve positioner, diagnostic procedures and use of a valve positioner
DE19527521C1 (en) Neural network training method
DE102020206261A1 (en) Method for transmitting a sensor characteristic