Нейро-қатъиймас моделлар ва интеллектуал бошқарув тизимлари

Нейро-қатъиймас моделлар ва интеллектуал бошқарув тизимлари

Қатъиймас ва нейрон тармоқларни бирлаштириш нейро-қатъиймас (neuro-fuzzy) ёки нейро-қатъиймас (neuro-fuzzy) деб аталадиган ва ақлли бошқарувда тобора муҳим рол ўйнайдиган сифат жиҳатидан янги бошқарувчилар синфини яратишга имкон беради. Ушбу контроллерлар қатъиймас алгоритмларнинг юқоридаги афзалликларини нейрон тармоқларнинг ижобий сифатлари (универсаллик, юқори тезлик, ўрганиш қобилияти, муваффақиятсизликка толерантлик) билан бирлаштиради.

Мақола гипертовушли самолётлар учун ақлли парвоз ва электр станциясини бошқариш тизимини лойиҳалаш учун нейро-қатъиймас бошқарув усулларини қўллашни яхши натижалар беради. Ушбу муаммони классик усуллар билан ҳал қилиш деярли мумкин эмас, чунки аниқ математик моделларни ишлаб чиқиш чуқур ва узоқ назарий тадқиқотларни, зарбаларнинг экспериментал натижаларини таҳлил қилишни, дастгоҳ ва парвоз синовларини ва бошқаларни талаб қилади. Қўшимча қийинчиликлар эркинлик даражалари сонининг кўпайиши (тортишиш векторини бошқариш ва бошқалар), дизайндан ташқари парвоз режимларининг пайдо бўлиши (масалан, рақам билан тезлик), беқарор шароитларда аэродинамик сиртларни бошқаришдаги чекловлар билан боғлиқ. режимлар ва бошқалар.
Бу ҳолда нейро-тизимларидан фойдаланиш тизимнинг хусусиятларини реал вақт режимида (самолётнинг чизиқли бўлмаган динамикасини ҳисобга олган ҳолда) ҳатто самолётнинг носозликлари ёки шикастланиши пайтида юзага келадиган динамикада бундай ўзгаришлар билан аниқлаш имконини беради.
Қатъиймас бошқарувлар самолёт ва унинг электр станциясини турли хил ўзгарувчан парвоз шароитларида мослашувчан, чизиқли бўлмаган бошқаришни таъминлайди, шу жумладан танқидий (фавқулодда) вазиятларда парвоз хавфсизлигини таъминлайди.
Ҳар қандай сунъий интеллект тизимининг умумий хусусияти бу билимлар базасининг мавжудлиги. Қатъиймас контроллерлар учун билимлар базаси қатъиймас ишлаб чиқариш қоидалари тўплами сифатида, нейрон контроллерлар учун эса билимлар базаси маълум бир топологиянинг нейрон тармоқ оғирликлари тўплами сифатида сўзсиз ифодаланади. Бошқариш билимлари базасини синтез қилиш вазифасининг мураккаблиги бошқарув объектининг мураккаблигига боғлиқ.
Мураккаб билимлар базасига эга бўлган интеллектуал бошқарувчининг ишлашини таҳлил қилиш қийин. Масалан, кўп сонли қатъиймас қоидалар бошқарув сигналининг "фалажига" олиб келиши мумкин ва нейрон тармоқ олдиндан башорат қилиб бўлмайдиган хусусиятларни аниқлай олади. Шунинг учун, умумий ҳолатда, мураккаб билимлар базасини нисбатан оддий компонентларга ажратиш ва кейин уларнинг сигналларини умумий бошқарув сигналига айлантириш фойдалидир.
Назорат муаммосининг анъанавий формуласини кўриб чиқинг. Динамик тизимнинг ҳар бир дискрет моментдаги ҳолати объект ҳаракатланадиган фаза фазосини аниқласин. Бошқарув масаласини ҳал қилиш деганда, бошланғич ҳолат объектини қандайдир берилган ҳолатга ўтказиш тушунилади.
Чизиқли объект моделларидан фойдаланганда, бошқарувчи маълум бир иш нуқтасининг маълум бир жойида ишлайди. Мисол учун, бир ўлчовли тизим учун ПИД текшируви учта кириш ва чизиқли фаоллаштириш функцияси билан нейрон билан боғланиши мумкин. Бундай тузилма фақат оддий назорат муаммоларини ҳал қилиши мумкин.
Интеллектуал контроллер - бу кўплаб нейронлардан фойдаланадиган нейрон бошқарувчи ёки кўплаб бошқарув қоидаларига эга бўлган қатъиймас контроллер, унумдорлик доирасини кенгайтирадиган чизиқли бўлмаган бошқарув қонунини амалга оширади. Бироқ, объектнинг бутун фаза фазоси учун назорат қонунини тасвирлашга уринаётганда, бир қатор фундаментал қийинчиликлар юзага келади.
Биринчидан, регуляторни синтез қилиш вазифаси сезиларли ноаниқлик билан тавсифланади. Қатъиймас регуляторларни синтез қилишда ишлаб чиқариш қоидаларининг қурилиши катта муаммоларни келтириб чиқариши мумкин, чунки мумкин бўлган бошқарув қоидалари сони кескин ўсиб бормоқда ва уларнинг етарли сонини олдиндан тахмин қилиш мумкин емас. Худди шундай, нейрон тармоғининг минимал тузилишини тахмин қилиш қийин, унда муаммони нейрон текшируви ёрдамида ҳал қилиш мумкин.
Иккинчидан, реал тизимлар кўп ўлчовлилиги билан ажралиб туради. Ақлли текширгични тайёрлашда сиз нафақат объект моделига, балки жисмонан амалга ошириладиган мос ёзувлар жараёнига ҳам ега бўлишингиз керак. Аммо бу ҳолатда ҳам кўп сонли кириш ва чиқишларга ега бўлган ақлли назоратчининг муваффақиятли тайёргарлигини кафолатлаш мумкин емас. Масалан, ўқитиш учун генетик алгоритмдан фойдаланганда хромосоманинг узунлиги ва қидирув майдонининг ҳажми кескин ошади.
Шу сабабли, объектни бошқариш вазифасини алоҳида кичик бўшлиқлар ёки фазалар маконининг алоҳида нуқталари учун белгиланган вазифалар тўплами сифатида кўриб чиқиш фойдалидир. Бу ерда иккита муаммо таърифи мавжуд:
- назорат фаза фазосининг турли кичик бўшлиқларида алоҳида кўриб чиқилади (бу кўпайтириладиган боғланган тизимнинг индивидуал бошқарув ҳалқаларининг мустақил ривожланишига тўғри келади), шундан сўнг бошқарув сигналлари умумий бошқарув сигналини яратиш учун мувофиқлаштирилади;
- фаза фазосининг берилган траэкторияси бўйича ҳаракат фаза фазосининг бир ҳудудидан иккинчисига ўтишлар кетма-кетлиги сифатида қаралади. Ҳар бир ҳудуд локал бошқарувчига мос келади. Таъсир доираси чегараларида регуляторлар мувофиқлаштиради.
Кўп боғланган объект учун ақлли бошқарувчини қуришнинг кўриб чиқилаётган варианти тузилишига киритилган асосий ғоя объектнинг турли хил чиқиш ўзгарувчилари учун бошқарув қонунларини мустақил шакллантиришдир. Ўзларининг назорат қонунларини амалга оширадиган бир нечта бошқарув цикллари қўлланилади, уларнинг сигналлари (умуман қарама-қарши) нейрон тармоқ ёрдамида мувофиқлаштирилади.
Ушбу ёндашувнинг мумкин бўлган афзалликлари қуйидагилардан иборат:
- индивидуал схемаларда бошқариш қоидалари жуда аниқ бўлиши ёки оддий ўрганиш жараёнидан кейин олиниши мумкин;
- индивидуал бошқарув цикллари кўп киришларга (объект ҳолати ўзгарувчилари) ва бир нечта чиқишларга (бошқарув сигналларига) эга бўлиши мумкин, бу эса нисбатан оддий мос келадиган нейрон тармоғидан фойдаланишга имкон беради.
Мисол тариқасида иккита тенг бошқарув ҳалқали тизимни кўриб чиқамиз (2.5.1-расм), бу ерда ҳолат векторининг алоҳида таркибий қисмларидан ташкил топган векторлар билан белгиланади.
Агар Б3| ва Б32 қатъймас ишлаб чиқариш қоидалари тўпламидир, кейин бу эрда асосий афзаллик қоидалар юбориш сонини камайтиришдир, чунки тўлиқ эмас, лекин кесилган ҳолат вектори ҳисобга олинади. Агар билимлар базаси ва Б32 нейрон тармоғи асосида қурилган, кейин у киришлар сонининг камайиши туфайли оддийроқ тузилишга эга бўлиши мумкин. Иккала ҳолатда ҳам ўрганиш муаммосини ҳал қилиш осонроқ, чунки минималлаштирилган хато функциясининг мураккаблиги камаяди.
Билимлар базаси ва Б32 Б33 конфигурациясидан олдин тузилиши керак, яъни олдинга узатиш нейрон тармоғи. У аллақачон тўлиқ назорат муаммосини ҳал қилади, лекин кириш сифатида кўп компонентли вектор эмас, балки фақат тўртта ўзгарувчини олади (2.5.1-расм).

2.5.1-расм. Кўп боғланган объект учун билимлар базаси парчаланишига мисол.
Ушбу ёндашув билан муаммони ҳал қилишнинг муваффақияти тўпламини координаталар тўпламидан фойдаланган ҳолда тавсифга эквивалент объектдаги вазиятнинг тавсифи сифатида кўриб чиқиш мумкинми ёки йўқлигига боғлиқ: .
Ушбу техниканинг самарадорлигини текшириш учун биз тескари маятникни бошқаришнинг классик муаммосини кўриб чиқамиз. Бошқариш объекти иккита чиқиш ўзгарувчисига эга: S мос ёзувлар нуқтасидан масофа ва саркаcининг вертикалдан бурчаги. Назорат вазифаси маятникни ва позицияларида барқарорлаштиришдир. Координаталарнинг ҳар бири учун қатъиймас назорат қонунини амалга оширадиган лингвистик қоидалар жадвали тузилади. Натижада, ўзгарувчиларнинг ҳар бирини мустақил равишда бошқарадиган иккита қатъиймас контроллерлар олинади. Симуляция шуни кўрсатдики, оддий нейрон тармоқдан фойдаланган ҳолда иккита тил қоидалари жадвалидаги сигналларни генетик алгоритм ёрдамида оддий ўқитиш процедурасидан кейин мослаштириш мумкин.
Фаза фазосининг бир нуқтасидан иккинчисига ўтишда объектни бошқариш вазифаси сезиларли даражада ўзгариши мумкин. Келинг, ушбу муаммони аниқ мисол ёрдамида кўриб чиқайлик - вертикал учиш ва қўниш самолётининг қўнишини бошқариш муаммоси. Вертикал учиш ва қўниш дастури уч босқични ўз ичига олади:

• 
  олдиндан белгиланган паст баландликка тушиш;
  
• 
  кичик қийматгача дампинг тезлиги билан горизонтал парвоз;
  
• 
  тезлиги нолга яқин бўлган нуқтага қўниш.
  

Муаммони ҳал қилиш учун нейрон контроллердан фойдаланиш мумкин. Тажрибалар шуни кўрсатдики, нейрон тармоқ кўп қатламли бўлиши керак. Тренинг процедурасини амалга ошириш қийин бўлиб чиқади ва муаммони ҳал қилишнинг аниқлиги кафолатланмайди. Бу ҳаммага маълум бўлган барқарорлик муаммосининг оқибати - нейрон тармоқнинг пластиклиги, бу ҳолда бошқа маневрни ўрганишда бир маневрни "унутиш" деган маънони англатади.
Шунинг учун, бу ҳолда, 2.5.2-расмга мувофиқ бошқарув қонуни ва нейрон тармоқнинг декомпозиция қилиш фойдали бўлади.

2.5.2-расм. Вертикал учиш ва қўниш самолётининг қўниши пайтида билимлар базасининг декомпозициясига мисол.
Билим базаси объектнинг жорий ҳолатини баҳолайди ва Б32, Б33 ва Б34 да сақланган бир ёки бир нечта назорат қонунларини фаоллаштиради. Б35 бошқарув тизимининг икки ёки учта билим базаси бир вақтнинг ўзида фаол бўлган ҳолларда қарама-қаршиликларни юмшатиши керак.
Билим базаси мазмуни жуда аниқ; бу назорат билимлари базаларини ишга тушириш шартларини тавсифловчи ишлаб чиқариш қоидалари тўплами бўлиши мумкин. Б32 - Б34 - олдинга узатиладиган нейрон тармоқлар. Симуляция кўрсатганидек, бир қатламли нейрон тармоқлар кўриб чиқилаётган муаммода жуда қониқарли ва ўқитиш жараёни жуда оддий. Б35 ўрганиш вазифаси Б33 ўрганиш вазифаси билан деярли бир хил.
Кўриб чиқилган ёндашувлар ақлли контроллерларни синтез қилиш жараёнини бошқариш имконини беради, шунда индивидуал бошқарув қуйи тизимларини ўқитишнинг мураккаблиги маълум бир чегарадан ошмайди, ундан ташқарида ҳал қилиб бўлмайдиган қийинчиликлар пайдо бўлади. Шу билан бирга, назорат қонуни янги контурларни тавсифлаш ёки алоҳида билим базалари сифатида амалга оширилган янги ҳаракат режимларини қўшиш орқали аста-секин такомиллаштирилиши мумкин.