RU2189068C2 - Method for adaptive automatic adjustment of multi-parameter automatic control systems to optimum conditions - Google Patents

Method for adaptive automatic adjustment of multi-parameter automatic control systems to optimum conditions Download PDF

Info

Publication number
RU2189068C2
RU2189068C2 RU2000121221A RU2000121221A RU2189068C2 RU 2189068 C2 RU2189068 C2 RU 2189068C2 RU 2000121221 A RU2000121221 A RU 2000121221A RU 2000121221 A RU2000121221 A RU 2000121221A RU 2189068 C2 RU2189068 C2 RU 2189068C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
random
quality function
adaptation
unsuccessful
search
Prior art date
Application number
RU2000121221A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2000121221A (en
Inventor
А.В. Щедринов
А.Ю. Кравченко
Original Assignee
Липецкий государственный технический университет
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 Липецкий государственный технический университет filed Critical Липецкий государственный технический университет
Priority to RU2000121221A priority Critical patent/RU2189068C2/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2189068C2 publication Critical patent/RU2189068C2/en
Publication of RU2000121221A publication Critical patent/RU2000121221A/en

Links

Images

Landscapes

  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

FIELD: automatic optimization of multiparameter controlled members possessing a single-extreme quality function based on some optimality criterion. SUBSTANCE: the method is realized as follows. In a space of optimized parameters a step is made from the original state in a random distribution in accordance with the uniform distribution law. If the value of the quality function in the new state exceeds or equals the value of the quality function in the original state (i.e. the random chosen sample turned out to be an unsuccessful one), the system returns to the original state, after which a random step counted off from the old one is formed again. Adaptation of distribution of the direction of random steps consists in variation of their mathematical expectation on the basis of the sign of increment of the quality function, and adaptation of the value of random steps - on the basis of the relationship of successful and unsuccessful samples in the process of adaptation. EFFECT: enhanced speed of response of self-adaptation. 1 dwg

Description

Изобретение относится к автоматической оптимизации многопараметрических объектов управления, обладающих одноэкстремальной функцией качества, основанной на каком-либо критерии оптимальности. The invention relates to automatic optimization of multi-parameter control objects having a one-extreme quality function based on some optimality criterion.

Известны способы случайного поиска экстремума функции качества одноэкстремальных многопараметрических объектов, заключающиеся в формировании случайных входных шаговых воздействий на объект управления [1]. Known methods for random search of the extremum of the quality function of one-extremal multi-parameter objects, which consist in the formation of random input step effects on the control object [1].

Недостатком таких способов является отсутствие адаптации величины случайных входных шаговых воздействий в процессе поиска, что приводит к значительному снижению их эффективности и быстродействия. The disadvantage of such methods is the lack of adaptation of the magnitude of random input step effects in the search process, which leads to a significant decrease in their efficiency and speed.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ, основанный на формировании случайных равномерно распределенных входных шаговых воздействий на объект управления и адаптации их распределения и величины [2]. Closest to the invention in technical essence is a method based on the formation of random evenly distributed input step-by-step actions on the control object and adaptation of their distribution and magnitude [2].

Недостатком этого способа является невысокое быстродействие поиска и отсутствие универсальности применения, так как алгоритм адаптации величины входных шаговых воздействий в этом способе был получен для частного случая объекта оптимизации. The disadvantage of this method is the low speed of the search and the lack of universality of application, since the algorithm for adapting the magnitude of the input step effects in this method was obtained for a particular case of the optimization object.

Предлагаемый способ заключается в том, что создается режим адаптивного случайного поиска в пространстве оптимизируемых параметров, основанный на формировании случайных входных шаговых воздействий на объект управления, распределенных по равномерному закону, математическое ожидание которых автоматически адаптируется в зависимости от сигнала, поступающего с выхода объекта по каналу обратной связи, а адаптация величины случайных входных шаговых воздействий осуществляется на основе соотношения удачных и неудачных проб в процессе настройки. The proposed method consists in creating an adaptive random search mode in the space of optimized parameters, based on the formation of random input step-by-step actions on the control object, distributed according to a uniform law, the mathematical expectation of which is automatically adapted depending on the signal coming from the object’s output via the feedback channel communication, and the adaptation of the magnitude of random input step effects is based on the ratio of successful and unsuccessful samples in the process of oyki.

На чертеже представлена блок-схема алгоритма, реализующего предлагаемый способ автоматической настройки многопараметрических систем автоматического управления на оптимальные условия (вариант алгоритма с пересчетом, для определенности представлен случай минимизации функции качества). The drawing shows a block diagram of an algorithm that implements the proposed method for automatically tuning multi-parameter automatic control systems to optimal conditions (a variant of the algorithm with recounting, for definiteness, the case of minimizing the quality function is presented).

Способ реализуется с помощью алгоритма, блок-схема которого включает в себя:
1 - блок формирования шага в случайном направлении в пространстве оптимизируемых параметров в соответствии с равномерным законом распределения, 2 - блок запоминания сформированного шага, 3 - блок определения значения функции качества в новой точке пространства оптимизируемых параметров, 4 - блок определения знака приращения функции качества, 7 - блок запоминания значения функции качества при удачном шаге, 5 и 8 - блоки адаптации распределения направления и величины случайных шагов в пространстве оптимизируемых параметров, 6 - блок формирования шага в обратном направлении при неудачном шаге.
The method is implemented using an algorithm, a block diagram of which includes:
1 - block for forming a step in a random direction in the space of optimized parameters in accordance with the uniform distribution law, 2 - block for storing the formed step, 3 - block for determining the value of the quality function at a new point in the space of optimized parameters, 4 - block for determining the sign of the increment of the quality function, 7 - a unit for storing the value of the quality function with a successful step, 5 and 8 - blocks for adapting the distribution of direction and magnitude of random steps in the space of optimized parameters, 6 - the block is formed I step in the opposite direction in an unsuccessful step.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. The proposed method is implemented as follows.

В пространстве оптимизируемых параметров из исходного состояния Xi делается шаг в случайном направлении в соответствии с равномерным законом распределения. Если значение функции качества в новом состоянии Q(Xi+1) больше или равно значению функции качества в исходной точке Q(Xi), то есть случайная проба оказалась неудачной (задача минимизации), то система возвращается в первоначальное состояние Хi, после чего снова формируется случайный шаг, отсчитанный из старого состояния.In the space of optimized parameters from the initial state X i , a step is taken in a random direction in accordance with the uniform distribution law. If the value of the quality function in the new state Q (X i + 1 ) is greater than or equal to the value of the quality function at the starting point Q (X i ), that is, a random test turned out to be unsuccessful (minimization task), then the system returns to the initial state X i , after which again forms a random step, counted from the old state.

Рекуррентная формула для смещения в пространстве оптимизируемых параметров по этому алгоритму имеет следующий вид:

Figure 00000002

где Qi0=min Q(Xj), j=1,..., i - наименьшее значение функции качества за i предыдущих шагов поиска;
F(Ξ,W) - единичный вектор, определяющий направление случайного шага:
Figure 00000003

где Ξ- единичный случайный вектор, равномерно распределенный по всем направлениям пространства оптимизируемых параметров с нулевым математическим ожиданием;
W - вектор памяти (математическое ожидание направления случайных шагов), реализующий адаптацию распределения направления шагов,
ai - величина рабочего шага на i-м шаге поиска.The recurrence formula for the displacement in space of optimized parameters by this algorithm has the following form:
Figure 00000002

where Q i 0 = min Q (X j ), j = 1, ..., i is the smallest value of the quality function for i of the previous search steps;
F (Ξ, W) is the unit vector that determines the direction of the random step:
Figure 00000003

where Ξ is a unit random vector uniformly distributed in all directions of the space of optimized parameters with zero mathematical expectation;
W is a memory vector (the mathematical expectation of the direction of random steps) that implements the adaptation of the distribution of the direction of steps,
a i is the value of the working step at the i-th search step.

Адаптация распределения направления случайных шагов заключается в изменении их математического ожидания на основе знака приращения функции качества (блоки 5 и 8 на чертеже). Алгоритм непрерывной адаптации математического ожидания случайных шагов можно представить в виде следующего векторного рекуррентного соотношения:
Wi+1 = kWi-δΔQiΔXi,
где W - математическое ожидание равномерно распределенных случайных шагов;
k - коэффициент запоминания (0≤k≤1);
δ - параметр скорости обучения (0≤δ≤1).
Adaptation of the distribution of the direction of random steps consists in changing their mathematical expectation based on the sign of the increment of the quality function (blocks 5 and 8 in the drawing). The algorithm for the continuous adaptation of the mathematical expectation of random steps can be represented as the following vector recurrence relation:
W i + 1 = kW i -δΔQ i ΔX i ,
where W is the mathematical expectation of uniformly distributed random steps;
k is the memorization coefficient (0≤k≤1);
δ is the parameter of the learning speed (0≤δ≤1).

При работе по этому алгоритму адаптации вектор W стремится перестроиться в направлении, обратном градиенту функции качества оптимизируемого объекта, то есть шаги поиска будут в среднем направлены в сторону быстрейшего уменьшения функции качества. Алгоритм адаптации величины случайных шагов можно представить в виде следующего выражения:

Figure 00000004

где li и si - соответственно число удачных и неудачных проб, совершенных до i -го шага оптимизации.When working on this adaptation algorithm, the vector W tends to be rebuilt in the direction opposite to the gradient of the quality function of the optimized object, that is, the search steps will, on average, be directed towards the fastest decrease in the quality function. The algorithm for adapting the magnitude of random steps can be represented as the following expression:
Figure 00000004

where l i and s i are, respectively, the number of successful and unsuccessful samples completed before the i-th optimization step.

Смысл этого алгоритма заключается в следующем. Если в процессе поиска имеется значительное число удачных проб, то величина шага увеличивается. Однако, если начинают преобладать неудачные поисковые шаги, то, очевидно, система приблизилась к экстремуму функции качества, и величина входных шаговых воздействий уменьшается. The meaning of this algorithm is as follows. If in the search process there is a significant number of successful samples, then the step size increases. However, if unsuccessful search steps begin to prevail, then obviously the system has approached the extremum of the quality function, and the magnitude of the input step effects decreases.

Если имеются определенные априорные данные о виде функции качества объекта оптимизации, то необязательно использовать всю информацию о неудачных и удачных пробах, можно ограничиться данными за последние N шагов оптимизации. Однако N не должно быть слишком малым, иначе точность отыскания экстремума будет недостаточно высокой. Как показали эксперименты на модельных функциях, для большинства случаев оптимальным числом является N=100, что достаточно для высокой мобильности алгоритма адаптации величины шага и для отыскания экстремума с высокой точностью. If there is certain a priori data on the form of the quality function of the optimization object, then it is not necessary to use all the information about unsuccessful and successful tests; you can limit yourself to data from the last N optimization steps. However, N should not be too small, otherwise the accuracy of finding the extremum will not be high enough. As experiments on model functions have shown, for most cases the optimal number is N = 100, which is sufficient for high mobility of the algorithm for adapting the step size and for finding an extremum with high accuracy.

Достигаемый технический эффект от применения предлагаемого способа позволяет уменьшить потери на поиск и повысить быстродействие отыскания экстремума: экспериментальные исследования, проведенные на модельных функциях, показали, что выигрыш в быстродействии предлагаемого способа по сравнению с прототипом составил от 32 до 55 % в зависимости от вида модельной функции (см. таблицу). Помимо алгоритмической простоты предлагаемого способа, он обладает также универсальностью применения, что позволяет использовать его независимо от конкретного вида функции качества. The achieved technical effect of the application of the proposed method allows to reduce search losses and increase the speed of finding the extremum: experimental studies conducted on model functions showed that the gain in speed of the proposed method compared to the prototype was from 32 to 55% depending on the type of model function (see table). In addition to the algorithmic simplicity of the proposed method, it also has universality of application, which allows it to be used regardless of the specific type of quality function.

Центральная модель:

Figure 00000005

Центральная модель является моделью сепарабельного объекта управления, у которого отсутствует перекрестное влияние входных параметров.Central model:
Figure 00000005

The central model is a model of a separable control object in which there is no cross-influence of input parameters.

Квадратичная модель:

Figure 00000006

где [A, X] - скалярное произведение вектора параметрических коэффициентов А=(а1, а2, а3, а4)T и вектора входных координат Х = (x1, x2, x3, x4)T, аi=1, i=1...4, bij - элементы матрицы:
Figure 00000007

Квадратичная модель имеет более сложную структуру по сравнению с центральной и моделирует несепарабельный объект с перекрестным влиянием параметров.Quadratic model:
Figure 00000006

where [A, X] is the scalar product of the vector of parametric coefficients A = (a 1 , a 2 , a 3 , and 4 ) T and the vector of input coordinates X = (x 1 , x 2 , x 3 , x 4 ) T , and i = 1, i = 1 ... 4, b ij are the elements of the matrix:
Figure 00000007

The quadratic model has a more complex structure than the central one and models an inseparable object with the cross influence of parameters.

Функция Пауэла:
Q(X)=(х1+10х2)2+5(х34)4+(х2-2х3)4+10(х14)4
Функция Пауэла моделирует объект оптимизации с ярко выраженной овражностью функции качества.
Powell Function:
Q (X) = (х 1 + 10х 2 ) 2 +5 (х 34 ) 4 + (х 2 -2х 3 ) 4 +10 (х 14 ) 4
The Powell function models an optimization object with a pronounced ravine of a quality function.

Все модельные функции имеют один минимум при хi=0, i=1...4.All model functions have one minimum at x i = 0, i = 1 ... 4.

При проведении сравнительного тестирования использовался одинаковый для всех моделей набор из ста начальных точек поиска, координаты которых представляли собой случайные равномерно распределенные числа в пределах от минус 10 до плюс 10. Цикл поиска экстремума для каждой начальной точки повторялся 1000 раз. Для всех трех моделей параметры поиска были одинаковыми: коэффициент запоминания k=0,7; параметр скорости обучения δ=0,1. Поиск экстремума производился с точностью до 0, 01. When conducting comparative testing, we used the same set of one hundred search starting points for all models, the coordinates of which were random uniformly distributed numbers ranging from minus 10 to plus 10. The extremum search cycle for each starting point was repeated 1000 times. For all three models, the search parameters were the same: memory coefficient k = 0.7; learning rate parameter δ = 0.1. The search for the extremum was carried out with an accuracy of 0.01.

ЛИТЕРАТУРА
1. Растригин Л.А. Системы экстремального управления. М.: Наука, 1974, с. 422-432.
LITERATURE
1. Rastrigin L.A. Extreme control systems. M .: Nauka, 1974, p. 422-432.

2. Растригин Л.А. Адаптация сложных систем. Рига: Зинатие, 1981, с.88-91, с.106-107 (прототип). 2. Rastrigin L.A. Adaptation of complex systems. Riga: Zinatie, 1981, pp. 88-91, pp. 106-107 (prototype).

Claims (1)

Способ адаптивной автоматической настройки многопараметрических систем автоматического управления на оптимальные условия путем создания режима адаптивного случайного поиска в пространстве оптимизируемых параметров, основанный на формировании случайных входных шаговых воздействий на объект управления, математическое ожидание которых автоматически адаптируют в зависимости от сигнала, поступающего с выхода объекта по каналу обратной связи в соответствии с соотношением
Wi+1 = kWi-δΔQiΔXi,
где W - математическое ожидание равномерно распределенных случайных шагов;
k - коэффициент запоминания;
δ - параметр скорости обучения;
Q - функция качества;
Х - состояние объекта в пространстве оптимизируемых параметров,
отличающийся тем, что величину случайных входных шаговых воздействий в процессе настройки на оптимальные условия автоматически адаптируют на основе соотношения удачных и неудачных проб в соответствии с выражением
Figure 00000008

где а - величина шага случайного входного шагового воздействия;
li - число удачных случайных проб, совершенных до i-го шага поиска;
si - число неудачных случайных проб, совершенных до i-го шага поиска.
A method of adaptive automatic tuning of multi-parameter automatic control systems to optimal conditions by creating an adaptive random search mode in the space of optimized parameters, based on the formation of random input step-by-step actions on the control object, the mathematical expectation of which is automatically adapted depending on the signal from the object output via the feedback channel communication in accordance with the ratio
W i + 1 = kW i -δΔQ i ΔX i ,
where W is the mathematical expectation of uniformly distributed random steps;
k is the memorization coefficient;
δ is the parameter of the learning speed;
Q - quality function;
X is the state of the object in the space of optimized parameters,
characterized in that the magnitude of the random input step actions during adjustment to optimal conditions is automatically adapted based on the ratio of successful and unsuccessful samples in accordance with the expression
Figure 00000008

where a is the step size of the random input step action;
l i is the number of successful random samples completed before the i-th search step;
s i - the number of unsuccessful random samples committed before the i-th search step.
RU2000121221A 2000-08-07 2000-08-07 Method for adaptive automatic adjustment of multi-parameter automatic control systems to optimum conditions RU2189068C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000121221A RU2189068C2 (en) 2000-08-07 2000-08-07 Method for adaptive automatic adjustment of multi-parameter automatic control systems to optimum conditions

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000121221A RU2189068C2 (en) 2000-08-07 2000-08-07 Method for adaptive automatic adjustment of multi-parameter automatic control systems to optimum conditions

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2189068C2 true RU2189068C2 (en) 2002-09-10
RU2000121221A RU2000121221A (en) 2002-09-20

Family

ID=20238987

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000121221A RU2189068C2 (en) 2000-08-07 2000-08-07 Method for adaptive automatic adjustment of multi-parameter automatic control systems to optimum conditions

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2189068C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2557483C1 (en) * 2014-10-03 2015-07-20 Владимир Ефраимович Лихтенштейн Method for optimum control of equilibrium random process
RU2581015C1 (en) * 2015-03-30 2016-04-10 Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" Method of optimising multidimensional vector of parameters of controlling complex stochastic automatic control systems for multidimensional vector of output performance indicators of system

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
РАСТРИГИН Л.А. Адаптация сложных систем. - Рига, Зинатне, 1981, с.88-91, с.106-107. *
Справочник по теории автоматического управления/Под ред. КРАСОВСКОГО А.А. - М.: Наука, 1987, с.637-639, 643-645. РАСТРИГИН Л.А. Системы экстремального управления. - М.: Наука, 1974, с 422-432. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2557483C1 (en) * 2014-10-03 2015-07-20 Владимир Ефраимович Лихтенштейн Method for optimum control of equilibrium random process
RU2581015C1 (en) * 2015-03-30 2016-04-10 Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" Method of optimising multidimensional vector of parameters of controlling complex stochastic automatic control systems for multidimensional vector of output performance indicators of system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110503192B (en) Resource efficient neural architecture
Bottou et al. Large scale online learning
US11941526B2 (en) Methods, electronic devices, and computer-readable media for training, and processing data through, a spiking neuron network
CN111079780A (en) Training method of space map convolution network, electronic device and storage medium
CN111768761B (en) Training method and device for speech recognition model
WO2019146189A1 (en) Neural network rank optimization device and optimization method
CN112101428B (en) Image classification method and system based on convolutional neural network
CN109102468B (en) Image enhancement method and device, terminal equipment and storage medium
JP2022541370A (en) Data enrichment policy update method, apparatus, device and storage medium
CN112288046A (en) Mixed granularity-based joint sparse method for neural network
CN107622242A (en) The acceleration separation method of blind source mixed signal in a kind of engineering
RU2189068C2 (en) Method for adaptive automatic adjustment of multi-parameter automatic control systems to optimum conditions
CN110796268A (en) Method and device for determining hyper-parameters of business processing model
Kwak et al. Quantization aware training with order strategy for CNN
CA2330878A1 (en) Pre-processing and post-processing for enhancing knowledge discovery using support vector machines
JP2020030674A (en) Information processing apparatus, information processing method, and program
US20210397962A1 (en) Effective network compression using simulation-guided iterative pruning
RU2189067C2 (en) Method for automatic adaptation of multi-parameter automatic control systems to optimum conditions
CN109951243A (en) A kind of spectrum prediction method, system and electronic equipment
RU2254602C2 (en) Method for adaptive automatic self-adjustment of multi-parameter automatic control systems for optimal conditions
Tang et al. A Fast Kernel Least Mean Square Algorithm
RU2189069C2 (en) Method of adaptive automatic self-tuning of multiparameter automatic control systems for optimal conditions
CN114298291A (en) Model quantization processing system and model quantization processing method
RU2251134C2 (en) Method for adaptive automatic self-tuning of multi-parameter automatic control systems for optimal conditions
US10909421B2 (en) Training method for phase image generator and training method of phase image classifier