JPH04213752A - Method for modeling and inverse modeling object system - Google Patents

Method for modeling and inverse modeling object system

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JPH04213752A
JPH04213752A JP2409824A JP40982490A JPH04213752A JP H04213752 A JPH04213752 A JP H04213752A JP 2409824 A JP2409824 A JP 2409824A JP 40982490 A JP40982490 A JP 40982490A JP H04213752 A JPH04213752 A JP H04213752A
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JP
Japan
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modeling
model
inverse
neural network
target system
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2409824A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroyuki Tsuzuki
都築 裕之
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To offer the method for facilitating the modeling and inverse modeling of an object system containing a non-linear element with regard to the method for modeling and remodeling a control object, etc. CONSTITUTION:In the case of modeling a system which becomes an object, the model concerned is constituted of approximate expression models 1a, 1b, and an auxiliary model using neural networks 2a, 2b for making good the expression models concerned 1a, 1b, and in the case of inverse modeling the system which becomes the object, the inverse model concerned is constituted of the expression models 1a, 1b by an approximate inverse function, and an auxiliary model using the neural networks 2a, 2b for making good the expression models concerned 1a, 1b.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、対象となるシステム(
例えば、「制御対象」等)のモデル化及び逆モデル化方
法に関し、特に従来求めることが困難であった非線形要
素を含むシステムのモデル化及び逆モデル化を比較的容
易に実現できる対象システムのモデル化及び逆モデル化
方法に関する。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a target system (
For example, regarding modeling and inverse modeling methods for "controlled objects", etc., models of target systems that can relatively easily achieve modeling and inverse modeling of systems that include nonlinear elements, which have been difficult to obtain in the past. and inverse modeling methods.

【0002】0002

【従来の技術】従来より、制御対象のモデル化、実験結
果の数式分析、シミュレーションのモデル化等は、広く
制御技術あるいは分析技術の重要な要素技術と考えられ
ている。
2. Description of the Related Art Conventionally, modeling of controlled objects, mathematical analysis of experimental results, modeling of simulations, etc. have been widely considered to be important elemental technologies of control technology or analysis technology.

【0003】しかしながら、実際の対象のモデル化ある
いは分析を行なおうとする場合には、該対象は非線形な
要素を含む場合が多く、一般的に非線形対象のモデル化
または分析は困難であり、従来は、線形関数で近似する
とか、最小2乗法、重回帰分析等の数学的手法により対
処している。また、上記事情は対象システムの逆モデル
を求める場合も同様である。
However, when attempting to model or analyze an actual object, the object often includes nonlinear elements, and it is generally difficult to model or analyze a nonlinear object. This problem is dealt with by approximation using a linear function, or by mathematical methods such as the method of least squares and multiple regression analysis. Further, the above situation is the same when obtaining an inverse model of the target system.

【0004】すなわち、図8は逆モデルについて説明す
るための図であり、図8(a)に示すように対象システ
ム51に入力信号xを入力し、出力yが得られ、かつ、
入力xと出力yの関数関係f(x)が分かっていれば、
対象システム51の数式モデルは関数fで表わされ、y
=f(x) で記述される。
That is, FIG. 8 is a diagram for explaining the inverse model, and as shown in FIG. 8(a), input signal x is input to the target system 51, output y is obtained, and
If we know the functional relationship f(x) between input x and output y,
The mathematical model of the target system 51 is represented by a function f, and y
= f(x).

【0005】一方、上記関数f(x)の逆関数、すなわ
ち、 x=g(y) の関係を満たす関数g(関数fの逆関数)が求まる場合
には該関数gで表わされる要素を、対象システム51の
逆モデル52と称している。この場合にも、対象システ
ム51が非線形要素を含む場合には、その逆モデル52
を求めることは著しく困難である。
On the other hand, when an inverse function of the above function f(x), that is, a function g (an inverse function of the function f) that satisfies the relationship x=g(y), the element represented by the function g is It is called an inverse model 52 of the target system 51. Also in this case, if the target system 51 includes nonlinear elements, its inverse model 52
is extremely difficult to obtain.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】前述のごとく、非線形
要素を含む対象のモデル化あいるは逆モデル化を行なう
ことは困難な場合が多く、従来から何等かの解決方法が
求められていた。
[Problems to be Solved by the Invention] As mentioned above, it is often difficult to model or inversely model objects that include nonlinear elements, and there has been a need for some kind of solution.

【0007】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
であり、非線形要素を含む対象システムのモデル化及び
逆モデル化を比較的容易に実現し得る、対象システムの
モデル化及び逆モデル化方法を提供することを目的とす
る。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and provides a method for modeling and inverse modeling of a target system that can relatively easily realize modeling and inverse modeling of a target system including nonlinear elements. The purpose is to provide

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上述の
目的は前記特許請求の範囲に記載した手段により達成さ
れる。
According to the invention, the above objects are achieved by the means set out in the claims.

【0009】すなわち、本発明は、請求項1記載の発明
については、対象となるシステムのモデル化を行なう場
合に、該モデルを、近似的な数式モデルと、該数式モデ
ルを補足するニューラルネットワークを用いた補助のモ
デルとで構成した対象システムのモデル化方法である。
[0009] In other words, the present invention provides that when a target system is modeled, the model is an approximate mathematical model and a neural network that supplements the mathematical model. This is a method for modeling the target system, which consists of the auxiliary model used.

【0010】また、請求項2記載の発明については、対
象となるシステムの逆モデル化を行なう場合に、該逆モ
デルを、近似的な逆関数による数式モデルと、該数式モ
デルを補足するニューラルネットワークを用いた補助の
モデルとで構成した対象システムの逆モデル化方法であ
る。
[0010] Furthermore, in the invention as claimed in claim 2, when inverse modeling of a target system is performed, the inverse model is replaced by a mathematical model based on an approximate inverse function and a neural network supplementing the mathematical model. This is a method for inverse modeling of the target system, which consists of an auxiliary model using .

【0011】[0011]

【作用】本発明では、従来のモデル化あるいは解析手法
であった、線形関数近似、最小2乗法、重回帰分析等と
、ニューラルネットワークを組み合わせることで、前記
問題点の克服を実現している。従来手法でも、対象の線
形要素の表現は容易ではあるが、ニューラルネットワー
クは、任意の非線形関数が任意の精度で近似できるので
、従来手法で表現仕切れなかった非線形要素の表現が可
能である。
[Operation] The present invention overcomes the above-mentioned problems by combining conventional modeling or analysis methods such as linear function approximation, least squares method, multiple regression analysis, etc. with a neural network. Although it is easy to express target linear elements using conventional methods, neural networks can approximate any nonlinear function with any precision, making it possible to express nonlinear elements that could not be expressed using conventional methods.

【0012】ニューラルネットワークを用いれば対象の
モデル化は可能ではあるが、精度と学習の問題がある。 ニューラルネットワークは学習により自己組織化を行な
うが、精度を必要とする場合には、非常に多くの学習時
間を要する。
Although it is possible to model objects using neural networks, there are problems with accuracy and learning. Neural networks self-organize through learning, but when precision is required, a significant amount of learning time is required.

【0013】また、ニューラルネットワークを非常に多
く学習させた場合(精度高く学習させた場合)には、過
学習の問題が発生する。一般に、実測によって収集した
教示データにはノイズが含まれており、そのデータに対
して精度高く学習を行なうと、ノイズを含んだデータを
学習することになり、ニューラルネットワークの特長で
ある補間機能が歪められる。
[0013] Furthermore, when a neural network is trained a large number of times (when trained with high accuracy), the problem of overfitting occurs. In general, the teaching data collected through actual measurements contains noise, and if you perform highly accurate learning on that data, you will be learning data that contains noise, and the interpolation function that is a feature of neural networks will not work. Distorted.

【0014】本発明では、従来手法により大まかに、対
象のモデルを記述し、そして記述できなかった特性部分
をニューラルネットワークの学習で表現しようとするも
のである。また、上記事情は対象システムの逆モデル化
を行なう場合についても同じであり、上記モデル化の場
合と同様に、大まかに対象の逆モデルを記述し、そして
記述できなかった特性部分をニューラルネットワークの
学習により表現しようとするものである。
[0014] The present invention attempts to roughly describe a target model using conventional methods, and then express characteristic portions that could not be described by learning a neural network. Furthermore, the above situation is the same when performing inverse modeling of the target system, and as in the case of the above modeling, the inverse model of the target is roughly described, and the characteristic parts that could not be described are applied to the neural network. This is what we try to express through learning.

【0015】以下、より具体的な例を上げて説明する。 すなわち、図1は本発明によるモデルの基本構成例を示
す図であり、図1(a)は数式近似モデル1aとニュー
ラルネットワーク2aを並列に接続してモデルを構成し
た例であり、図1(b)は数式近似モデル1bの出力を
ニューラルネットワーク2bの入力として、該ニューラ
ルネットワーク2bと数式近似モデル1bの出力を加算
してモデルを構成した例である。
A more specific example will be explained below. That is, FIG. 1 is a diagram showing an example of the basic configuration of a model according to the present invention, and FIG. b) is an example in which the output of the mathematical approximation model 1b is input to the neural network 2b, and a model is constructed by adding the outputs of the neural network 2b and the mathematical approximation model 1b.

【0016】また、図2は本発明による逆モデルの基本
構成例を示す図であり、図2(a)は、数式近似逆モデ
ル3aとニューラルネットワーク4aを並列に接続して
逆モデルを構成し、該逆モデルに目標出力yを入力し、
逆モデルの出力xを対象システム5の入力とした例であ
る。この例に示されるように、逆モデルを用いることに
より、対象システム5の出力を操作する場合に、最終の
出力yに相応する目標出力yを入力することが可能とな
り、対象システム5の取り扱いが容易となる。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the basic configuration of an inverse model according to the present invention, and FIG. 2(a) shows an inverse model constructed by connecting a mathematical approximation inverse model 3a and a neural network 4a in parallel. , input the target output y to the inverse model,
This is an example in which the output x of the inverse model is input to the target system 5. As shown in this example, by using the inverse model, when manipulating the output of the target system 5, it becomes possible to input the target output y corresponding to the final output y, and the handling of the target system 5 becomes easier. It becomes easier.

【0017】また、図2(b)は数式近似逆モデル3b
の出力をニューラルネットワーク4bの入力とし、該ニ
ューラルネットワーク4bと数式近似逆モデル3bの出
力を加算して逆モデルを構成した例である。
In addition, FIG. 2(b) shows a mathematical approximation inverse model 3b.
This is an example in which the output of the neural network 4b is input to the neural network 4b, and the outputs of the neural network 4b and the mathematical approximation inverse model 3b are added to form an inverse model.

【0018】また、図3は本発明による対象システム5
のモデル化の場合のニューラルネットワークの学習方法
を示す図であり、ニューラルネットワークの学習を行な
う方法を示している。今、図3(a)に示すように対象
システム5の入力を“I”、出力を“O”とする。図3
(b)の例では、対象の数式近似モデル1aの出力O′
と対象システム5の出力Oとの誤差eをニューラルネッ
トワーク2aの教示データとして与える。図3(c)の
例は、ニューラルネットワーク2bの入力として数式近
似モデル1bの出力が与えられた場合の例である。
FIG. 3 also shows a target system 5 according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a learning method of a neural network in the case of modeling, and shows a method of learning a neural network. Now, as shown in FIG. 3(a), the input of the target system 5 is "I" and the output is "O". Figure 3
In the example (b), the output O′ of the target mathematical approximation model 1a
The error e between the output O of the target system 5 and the output O of the target system 5 is given as teaching data to the neural network 2a. The example in FIG. 3(c) is an example in which the output of the mathematical approximation model 1b is given as the input to the neural network 2b.

【0019】さらに、図4は本発明による対象システム
の逆モデル化の場合のニューラルネットワークの学習方
法を示す図であり、図4(a)の例では数式近似逆モデ
ル3aの出力I′と対象システムへの入力Iとの誤差e
をニューラルネットワーク4aの教示データとして与え
る。図4(b)の例はニューラルネットワーク4bの入
力として数式近似逆モデル3bの出力J′が与えられた
場合の例である。
Furthermore, FIG. 4 is a diagram showing a learning method of a neural network in the case of inverse modeling of a target system according to the present invention. In the example of FIG. Error e from input I to the system
is given as teaching data to the neural network 4a. The example shown in FIG. 4(b) is an example in which the output J' of the mathematical approximation inverse model 3b is given as an input to the neural network 4b.

【0020】[0020]

【実施例】以下、本発明の一実施例について説明する。 図5は本発明の一実施例について説明するための図であ
り、簡単な関数のモデル化を行なう場合の例である。す
なわち、図5(a)に示すように、対象システム6の数
式モデルがf(x)で与えられ、入力xと出力yとの関
係がy=f(x)で与えられる場合の例である。通常は
、関数f(x)はブラックボックスであり既知ではない
が、ここでは次のように定義する。 y=f(x)=x+sin(x)
[Embodiment] An embodiment of the present invention will be described below. FIG. 5 is a diagram for explaining one embodiment of the present invention, and is an example of modeling a simple function. That is, as shown in FIG. 5(a), this is an example where the mathematical model of the target system 6 is given by f(x), and the relationship between input x and output y is given by y=f(x). . Normally, the function f(x) is a black box and is not known, but here it is defined as follows. y=f(x)=x+sin(x)

【0021】この関数を、図5(b)に示すように表現
し、数式近似モデル7をg(x)=x、その出力をyg
 とし、ニューラルネットワーク8の出力を ynet
 とすると、 yg =g(x)=x y′=yg + ynet =x+ ynet として
実現できる。この例では、図6に示すニュラールネット
ワーク8は関数sin(x)を学習することになる。ま
た、図7は上記実施例での、シミュレーション結果を示
しており、モデル出力y′と対象出力yとの誤差(y′
−y)が充分小さいことが示される。なお、上記実施例
は対象システムのモデル化の場合を例に取ったものであ
るが、対象システムの逆モデル化の場合についても同様
である。
This function is expressed as shown in FIG. 5(b), where the mathematical approximation model 7 is g(x)=x and its output is yg
and the output of neural network 8 is ynet
Then, it can be realized as yg = g(x) = x y' = yg + ynet = x + ynet. In this example, the neural network 8 shown in FIG. 6 will learn the function sin(x). Moreover, FIG. 7 shows the simulation results in the above example, and shows the error (y') between the model output y' and the target output y.
-y) is shown to be sufficiently small. Note that, although the above embodiment takes the case of modeling the target system as an example, the same applies to the case of inverse modeling of the target system.

【0022】[0022]

【発明の効果】以上説明したごとく、本発明によれば、
従来実現が困難であった非線形対象のモデル化あるいは
逆モデル化が比較的容易に行ない得ることになる。また
、ニューラルネットワークのみでモデル化あるいは逆モ
デル化を行なう場合と比較して、過学習の防止、学習時
間の短縮、高い精度の実現が達成できる。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention,
Modeling or inverse modeling of nonlinear objects, which has been difficult to achieve in the past, can now be done relatively easily. Furthermore, compared to modeling or inverse modeling using only a neural network, overfitting can be prevented, learning time can be shortened, and high accuracy can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明によるモデルの基本構成例を示す図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing an example of the basic configuration of a model according to the present invention.

【図2】本発明による逆モデルの基本構成例を示す図で
ある。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the basic configuration of an inverse model according to the present invention.

【図3】本発明によるモデル化の場合のニューラルネッ
トワークの学習方法を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a neural network learning method for modeling according to the present invention.

【図4】本発明による逆モデル化の場合のニューラルネ
ットワークの学習方法を示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a neural network learning method for inverse modeling according to the present invention.

【図5】本発明の一実施例について説明するための図で
ある。
FIG. 5 is a diagram for explaining one embodiment of the present invention.

【図6】ニューラルネットワークの構成を示す図である
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of a neural network.

【図7】本発明の実施例のシミュレーション結果を示す
図である。
FIG. 7 is a diagram showing simulation results of an example of the present invention.

【図8】逆モデルについて説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining an inverse model.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1a,1b    数式近似モデル 2a,2b    ニューラルネットワーク3a,3b
    数式近似逆モデル 4a,4b    ニューラルネットワーク5,6  
  対象システム 7    数式近似モデル 8    ニューラルネットワーク
1a, 1b Formula approximation model 2a, 2b Neural network 3a, 3b
Mathematical approximate inverse model 4a, 4b Neural network 5, 6
Target system 7 Mathematical approximation model 8 Neural network

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  対象となるシステムのモデル化を行な
う場合に、該モデルを、近似的な数式モデルと、上記数
式モデルを補足するニューラルネットワークを用いた補
助のモデルとで、構成したことを特徴とする対象システ
ムのモデル化方法。
[Claim 1] When modeling a target system, the model is composed of an approximate mathematical model and an auxiliary model using a neural network that supplements the mathematical model. A method for modeling the target system.
【請求項2】  対象となるシステムの逆モデル化を行
なう場合に、該逆モデルを、近似的な逆関数による数式
モデルと、上記数式モデルを補足するニューラルネット
ワークを用いた補助のモデルとで、構成したことを特徴
とする対象システムの逆モデル化方法。
[Claim 2] When performing inverse modeling of a target system, the inverse model is a mathematical model using an approximate inverse function and an auxiliary model using a neural network that supplements the mathematical model, A method for inverse modeling of a target system characterized by the following configuration.
JP2409824A 1990-12-10 1990-12-10 Method for modeling and inverse modeling object system Withdrawn JPH04213752A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6869589B1 (en) * 2019-12-24 2021-05-12 株式会社エイシング Information processing equipment, methods and programs
WO2021131210A1 (en) * 2019-12-24 2021-07-01 株式会社エイシング Information processing device, method, and program

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