基于数据自适应评判的离散2-D系统零和博弈最优控制
离散非线性零和博弈的事件驱动最优控制方案
离散非线性零和博弈的事件驱动最优控制方案张欣;薄迎春;崔黎黎【摘要】In order to reduce the network communication and controller execution frequency while guarantee a desired control performance, an event-triggered optimal control scheme is proposed for solving the optimal control pair of discrete-time nonlinear zero-sum games in this paper. Firstly, an event-triggered condition with new event-triggered threshold is designed. The expression of the optimal control pair is obtained based on the Bellman optimality principle. Then, a single network value iteration algorithm is proposed to solve the optimal value function in this expression. A neural network is used to construct the critic network. Novel weight update rule of the critic network is derived. Through the iteration between the critic network, the control policy and the disturbance policy, the optimal value function and the optimal control pair can be solved. Further, the Lyapunov theory is used to prove the stability of the event-triggered closed-loop system. Finally, the event-triggered optimal control mechanism is applied to two examples to verify its effectiveness.%在求解离散非线性零和博弈问题时,为了在有效降低网络通讯和控制器执行次数的同时保证良好的控制效果,本文提出了一种基于事件驱动机制的最优控制方案.首先,设计了一个采用新型事件驱动阈值的事件驱动条件,并根据贝尔曼最优性原理获得了最优控制对的表达式.为了求解该表达式中的最优值函数,提出了一种单网络值迭代算法.利用一个神经网络构建评价网.设计了新的评价网权值更新规则.通过在评价网、控制策略及扰动策略之间不断迭代,最终获得零和博弈问题的最优值函数和最优控制对.然后,利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性.最后,将该事件驱动最优控制方案应用到了两个仿真例子中,验证了所提方法的有效性.【期刊名称】《控制理论与应用》【年(卷),期】2018(035)005【总页数】8页(P619-626)【关键词】博弈论;事件驱动;自适应动态规划;最优控制【作者】张欣;薄迎春;崔黎黎【作者单位】中国石油大学(华东)信息与控制工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)信息与控制工程学院,山东青岛266580;沈阳师范大学科信软件学院,辽宁沈阳110034【正文语种】中文【中图分类】TP2731 引言(Introduction)近年来,零和博弈问题在博弈论领域和最优控制领域获得了广泛关注[1–3].这是由于零和博弈具有两个决策者,一方面要求控制输入使性能指标取极小,而在干扰影响较大时,又必须考虑干扰信号使性能指标取极大.这样的对抗性设计既能保证系统在取最优性的同时又具有较好的抗干扰能力.然而现有的求解零和博弈问题的方法大都采用时间驱动机制,即控制器是连续更新的,在每一个采样时刻系统状态与控制器之间都要进行数据通讯,控制输入都需要计算并执行.这就大大增加了通讯网络和执行器的负担.与传统的采样方法不同,事件驱动机制采用一种非周期采样模式[4–7].文献[4]证明了这种非周期采样比周期采样在计算方面更加有利.事件驱动机制预先设定了一个事件驱动条件,只有当该条件不被满足时,才对系统状态进行采样,更新系统的控制输入,在两次更新之间采用零阶保持器保证控制器的输出.因此,能够有效地降低网络通讯和控制器执行次数,同时还能保证系统具有良好的控制性能.文献[5]研究了线性系统的事件驱动控制.文献[6]设计了事件驱动光电跟踪系统.Shaoo等人在文献[7]中研究了连续非线性系统的事件驱动状态反馈控制方案.文献[8]将事件驱动控制带入到了最优控制领域.事件驱动控制在求解连续系统的零和博弈问题方面也有了相应的成果,文献[9]将H∞问题转化为零和博弈问题,然后基于事件驱动机制进行求解.据笔者所知,目前还没有文献利用事件驱动机制求解离散非线性系统的零和博弈问题. 离散非线性系统的零和博弈问题需要求解离散Hamilton-Jacobi-Isaacs(HJI)方程来获得Nash平衡点,即最优控制对.但是对于非线性系统来说,HJI方程的解析解很难获得.Werbos在文献[10]中提出了一种有效的求解最优控制问题的方法——自适应动态规划(adaptive dynamic programming,ADP)算法,并且得到了广泛应用[11–13].文献[11]利用ADP算法处理鲁棒近似最优跟踪问题.王鼎等人在文献[12]中综述了连续时间非线性系统的自适应评判鲁棒控制设计的最新研究成果.文献[13]研究了离散非线性系统的事件驱动控制问题.ADP算法自其诞生之日起产生了一系列的同义词,例如:自适应评价设计、启发式动态规划、近似动态规划、神经元动态规划和增强学习等等.2006年在美国科学基金会组织的“2006 NSF Workshop and Outreach Tutorials on Approximate Dynamic Programming”研讨会上,建议将该方法统称为“adaptive/approximatedynamicprogramming(自适应/近似动态规划)”.ADP算法已经在一些文献中被用来处理零和博弈问题,并取得了一定的理论研究成果[14–17].然而这些研究都是基于时间驱动机制进行的.本文将事件驱动机制、ADP算法和神经网络各自优势相结合,提出了一种求解离散非线性零和博弈问题的事件驱动单网络值迭代控制方案.首先设计了一个新型的事件驱动阈值.根据贝尔曼最优性原理获得了最优控制对表达式.然而,由于HJI固有的非线性其解析解难以获得,导致该最优控制对无法直接求解.因此,一种单网络值迭代算法被提出.只利用一个神经网络构建评价网,从而代替了典型ADP算法中的评价——控制双网结构,有效减少了神经网络的训练次数.然后,根据HJI方程和梯度下降法设计了评价网的权值更新规则.接着,利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性.最后,将事件驱动最优控制方案应用到了两个仿真例子中,验证了所提方案既能够有效地降低网络通讯和控制器执行次数,减少神经网络的训练次数,又能够保证具有良好的性能.2 问题描述(Problem descriptions)考虑如下离散非线性系统的零和博弈问题,其状态方程描述为相应的性能指标函数为普通二次型形式其中:xk∈Ω⊆Rn为状态向量;uk∈Rm1为控制输入,控制目标是使得性能指标函数最小,而扰动输入wk∈Rm2则希望使得性能指标函数最大;f(),g()和h()为光滑可微函数;x0为系统初始状态;是对应的效用函数,矩阵Q,R和S是具有适当维数的对称正定矩阵.假设1 系统(1)是可控的,即存在连续控制策略能够渐近镇定系统(1),f(0)=0,xk=0是系统(1)唯一的平衡点[17].假设2 f+gu+hw在紧集Ω⊆Rn上李普希兹连续[17].定义1 容许控制是指控制输入uk在紧集Ω⊆Rm1上连续且u(0)=0,能够控制系统(1)稳定并且保证性能指标函数(2)有界,∀x0∈Ω[17].由容许控制uk和扰动输入wk定义值函数求解由式(1)–(2)描述的离散非线性系统的零和博弈问题的最优控制对,要求最优值函数满足根据Bellman最优性原理,最优值函数V∗(xk)满足离散HJI方程[16]其中最优控制对应该满足为汉密尔顿函数其中协状态.因此,3 事件驱动最优控制方案(Event-triggered optimal control mechanism)3.1 事件驱动条件(Event-triggered condition)在事件驱动机制中,定义是一个单调递增序列,ki代表第i个采样时刻,i=0,1,2,3,….这个采样系统的输出是由系统(1)在ki时刻的状态xki组成的序列.定义事件驱动误差为事件驱动条件为其中eT为事件驱动阈值.只有当∥ek∥>eT时,驱动条件不再满足,系统进行采样.事件驱动误差重置为零,eki=0.反馈控制输入u(xki)=µ(xki)更新,并且通过零阶保持器,该控制输入在k∈[ki,ki+1)时间段内保持不变u(xk)=µ(xki),直到下一个采样时刻.需要注意的是,在本文中假设事件驱动只对控制器uk有影响,而对扰动输入wk没有影响.根据式(9),可得因此,系统状态方程(1)重写为在事件驱动机制中,控制输入只在采样时刻更新,即只在ki时刻生成.因此,状态反馈控制策略(8a)应该表示为假设3 存在正数L,满足[13]当最后一次采样时刻为ki,k∈[ki,ki+1),根据式(9),可得ek+1=xki−xk+1.显然利用其递归性可得为了确保等比数列收敛,要求2L<1,即L<0.5.由于在每一个采样时刻eki =0,则式(16)变为定义事件驱动阈值为其中α∈(0,1]为常数.3.2 单网络ADP值迭代算法及神经网络实现(Single network ADP value iteration algorithm and neural network implementation)对于非线性系统来说,HJI方程(5)的解很难直接求解.为了获得式(8b)和式(13)中最优值函数的值,根据贝尔曼最优性原理,利用ADP值迭代算法来近似求解.首先,给定一个初始值函数V0(xk),一般情况选择V0(xk)=0.u0和w0可以通过下式计算获得:那么迭代的值函数V1(xk)为以此类推,相应的迭代策略uj和wj迭代规则为值函数Vj+1(xk)的迭代规则为其中j表示迭代次数.本文采用的是单神经网络结构,只利用一个评价网来近似值函数.该评价网由以下3层神经网络构成:其中Wc∗∈RNc×1为未知的隐含层到输出层的理想神经网络权值,Vc∗∈RNc×n 为输入层到隐含层的理想神经网络权值,Nc是隐含层节点数,ϕc()为评价网激活函数,εck∈R为评价网近似误差.在评价网训练过程中,输入层到隐含层的权值保持不变.仅训练隐含层到输出层的权值,定义为其估计值,则实际的评价网输出为其中.根据值函数的迭代规则(22)和评价网输出(24)以及HJI方程(5),设计评价网的训练误差为其中:,uj和wj的值由式(21)计算获得.定义最小化目标函数为利用梯度下降法,可得评价网的权值更新规则为其中αc为评价网学习率.假设4 存在常数θ,α,β满足其中:0<θ<∞,0<η1<1,16η2<∞,V0为任意初始值函数[17].若假设4成立,当迭代次数j趋于无穷大时,Vj(xk)将收敛到最优值函数V∗(xk),控制对(uj,wj)收敛到最优控制对(u∗,w∗).评价网权值收敛到Wc,.为了避免神经网络权值在训练过程中陷入到局部极小值,在训练中需要加入持续激励信号.注1 根据假设2,f+gu+hw是李普希兹连续的.并且有限的控制输入不可能使得系统状态在一步之内跳变到无穷大,因此f(xk)+g(xk)uk+h(xk)wk是有限的.考虑到V∗(xk)对于任意有限的系统状态和控制输入都是有限的,因此一定存在0<θ<∞能够保证不等式(28)成立.此外,由于任意的初始值函数V0(xk)是有界的,那么不等式(29)也很容易得到满足.注2 与典型的ADP算法不同,本文采用的是单网络结构,只利用一个评价网来近似值函数,省略掉了用来近似控制策略和扰动策略的两个控制网.由于本文研究的是模型完全已知仿射非线性系统,因而模型网也被省略.系统状态方程具有的仿射结构保证了控制策略和扰动策略可以根据最优性原理直接通过计算获得.如果系统模型未知或者是非仿射结构,可以通过增加模型网来构建仿射结构的系统状态方程.单网络ADP值迭代算法具体执行步骤如下:步骤1 初始化参数Q,R,S,ξ,αc,jmax,神经网络权值;步骤2 令,使得V0(xk)=0;步骤3 根据式(19)计算u0和w0;步骤4 令j=j+1;步骤5 根据式(12)计算xk+1;步骤6 根据式(27)更新权值;步骤7 根据式(24)计算Vj+1(xk);步骤8 根据式(21)计算uj和wj;步骤9 如果或者迭代次数j>jmax,跳转步骤10,否则跳转步骤4;步骤10 近似最优的控制对已获得,算法结束.3.3 事件驱动单网络值迭代算法(Event-triggered single network value iteration algorithm,ETSNVI)根据第3.1节可知,事件驱动阈值为eT,事件驱动条件为∥ek∥6eT.当驱动条件不再满足时,事件驱动误差被重置为零,控制输入µ∗(xki)更新.控制输入和扰动输入的计算公式如式(13)和式(8b)所示,其中的最优值函数V∗(xk)可通过第3.2节中的单网络值迭代算法逼近.因此,最终获得了基于事件驱动的零和博弈问题的近似最优解为其中协状态λki+1x和λk+1中的最优值函数由评价网的输出近似.假设5 存在正常数α,β和L1,K∞类函数α1和α2能够使得下列不等式满足[13]:定理1 对于离散系统(12),如果假设5成立,对于…,满足下列不等式:其中:则系统(12)是渐近稳定的.证由式(33)可知将式(18)和式(35)代入到式(32)中,可得求解式(36),可得将式(37)代入式(36),可得应用式(31),可得因此,当不等式(34)成立时,∆V<0.根据Lyapunov稳定性理论系统(12)渐近稳定. 证毕.本文提出的事件驱动最优控制方案结构图如图1所示,其具体步骤如下:步骤1 初始化参数α,L,ϵ和imax.令i=0,k=0;步骤2 根据式(9)和式(18)计算事件驱动误差ek和阈值eT;步骤3 判断∥ek∥是否大于eT,如果大于执行步骤4,如果小于等于跳转步骤6;步骤4 i=i+1,xki=xk,ek=0;步骤5 根据式(30a)计算µ(xk);步骤6 根据式(30b)计算w(xk);步骤7 根据式(12)计算xk+1;步骤8 如果∥xk+1−xk∥6ϵ,或者i>imax,跳转步骤9,否则跳转步骤2;步骤9 算法结束.注3 将值函数V(xk)定义为系统的李雅普诺夫函数.根据HJI方程(5)和公式(22),值函数V(xk)可以表述为系统状态xk的相关函数.如果系统是一个线性系统,值函数V(xk),其中P为黎卡提方程的解.显然,其满足假设5中的不等式(31).当系统为一个非线性系统的时候,用评价网来逼近V(xk).适当的选择激活函数ϕc()也能够保证不等式(31)成立.注4 本文提出的事件驱动单网络值迭代算法是一种离线的算法,通过在评价网、控制策略和扰动策略之间的不断迭代,最终获得全局最优控制对,该最优控制对可以在线直接应用在每一个事件驱动时刻.而且该算法一般取初始迭代值函数V0(xk)=0,不要求提供一个初始稳定增益.这对非线性系统来说是非常重要的,因为非线性系统的初始稳定增益并不容易获得.图1 事件驱动最优控制方案结构图Fig.1 The structure of the event-triggered optimal control scheme4 仿真验证(Simulation)为验证本文所提的事件驱动最优控制方案的有效性,本小节将该方案应用到了F--16战斗机和一个非线性系统的仿真例子中.例1 F–16战斗机.考虑如下的F–16战斗机的离散数学模型[16]:其中:xk=[αkqkδek]T,αk为攻击角度,qk为俯仰角速度,δek为升降舵偏转角,u为制动器电压,w为作用到攻击角度上的阵风.性能指标函数如式(2)所示,其中:Q∈R3×3,R∈R1×1和S∈R1×1为单位阵.飞行器的初始状态设定为x0=[4 2 5]T.采用一个3--8--1的3层神经网络来构成评价网,评价网的初始权值Vc在[−1,1]之间随机生成.设定为零,从而保证初始迭代值函数V0(xk)=0.激活函数ϕc()选为tansig函数.评价网学习率αc=0.2.计算精度为ξ=10−5.评价网训练了2000次,为了避免神经网络权值陷入局部极小值,在前800迭代步中加入了持续激励.评价网权值的收敛轨迹如图2所示.图2 评价网权值收敛轨迹Fig.2 The convergent trajectories of critic network weights由式(18)可知,事件驱动阈值eT与α和L的值有关.为了选择适当的α和L,作者进行了一系列的试验.当L=0.2时,α取不同的值时,累计采样次数和系统状态曲线如图3所示.图中箭头指向的方向为α增大的方向.从图3中可以看出,随着α的增大,累计采样次数逐渐减少,系统状态x1和x2逐渐接近最优状态轨迹.但是系统状态x3随着α的增大,距离最优状态轨迹越来越远.在综合考虑了累计采样次数和系统性能之后,最终选择α=0.1.同理,当α=0.1时,选取不同的L进行了一系列的仿真,发现随着L的增大,累计采样次数逐渐减少,但是对系统状态的影响不大.最终,本文选取了α=0.1,L=0.1来确定事件驱动阈值.当α=0.1,L=0.1时,系统的状态轨迹如图4所示.从图4可以看出,系统在796步之后能够达到精度ϵ=10−5.事件驱动误差的范数∥ek∥和阈值eT的变化情况如图5所示.图3 α取不同值时累计采样次数和系统状态轨迹Fig.3 The number of cumulative samples and the trajectories of system states with differe ntα图4 系统状态轨迹Fig.4 The trajectories of system states图5 事件驱动误差的范数和事件驱动阈值轨迹Fig.5 The trajectories of the norm of event-triggered error and event-triggered threshold由于事件驱动条件在前300步变化明显,所以在图5中给出了前300步的局部放大图.控制输入和扰动输入的变化轨迹如图6所示.图7给出了典型ADP算法和事件驱动单网络值迭代算法的累计采样次数对比图.图6 控制输入和扰动输入轨迹Fig.6 The trajectories of control input and图7 累计采样次数Fig.7 The cumulative samples如图7所示,本文所提出的事件驱动单网络值迭代算法只需要进行80次采样,而典型的时间驱动的ADP算法则需要进行796次采样.本文所提算法能够减少近90%的通讯次数和计算量.同时,由于只采用了一个神经网络,省略了用来近似控制策略和扰动策略的两个控制网,所以减少了近67%的神经网络权值训练量.例2 离散非线性系统.考虑如下的离散非线性零和博弈问题,其状态方程为其中:性能指标函数如式(2)所示,其中Q,R和S为具有适当维数的单位阵.初始状态设定为x0=[4 2]T.采用一个2--8--1的3层神经网络来构成评价网,评价网的初始权值Vc在[−1,1]之间随机生成.ˆWc设定为零.激活函数ϕc()选为tansig函数.评价网学习率αc=0.1.选取α=0.1,L=0.2来确定事件驱动阈值.系统的状态轨迹如图8所示.从图8可以看出,系统在125步之后能够达到精度ϵ=10−5.图9给出了控制输入和扰动输入的变化轨迹.事件驱动误差的范数∥ek∥和事件驱动阈值eT的变化情况如图10所示.与典型的时间驱动的ADP算法需要进行125次采样相比,本文所提的事件驱动最优控制方法只进行了63次采样,减少了近50%的网络通讯量和控制器计算以及执行次数.图8 系统状态轨迹Fig.8 The trajectories of system states图9 控制输入和扰动输入轨迹Fig.9 The trajectories of control input and图10 事件驱动误差的范数和事件驱动阈值的轨迹Fig.10 The trajectories of the norm of event-triggered error and event-triggered threshold从上述仿真结果中可以看出,本文提出的零和博弈问题的事件驱动最优控制方案,能够很好的镇定系统,并且获得零和博弈问题的近似最优控制对.通过事件驱动机制,能够有效的减少控制输入与系统之间的数据传输次数、控制器计算次数以及执行器变动次数.并且单网络值迭代算法能够有效降低神经网络权值的训练量.5 结论(Conclusions)本文研究了博弈论中常见的零和博弈问题.为了降低数据传输和计算次数,获得最优控制对,提出了一种基于事件驱动的单网络值迭代算法.将事件驱动控制应用到零和博弈问题求解中,设计新型事件驱动阈值.采用单网络值迭代算法,利用一个神经网络构建评价网,根据Bellman最优性原理直接计算控制对,通过在评价网、控制策略和扰动策略之间进行迭代,获得最优值函数.给出了神经网络权训练步骤.接着,利用Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性,并给出了事件驱动最优控制方案的执行步骤.最后,将该方案应用于F–16战斗机和一个非线性系统的零和博弈问题仿真实验中,仿真结果表明所提方法能够获得近似最优控制对,并且成功地降低了网络通信频率,控制输入的执行次数以及神经网络权值的训练次数.参考文献(References):【相关文献】[1]FU Yue,CHAI Tianyou.Online solution of two-player zero-sum games for linear systems with unknown dynamics[J].Control Theory&Applications,2015,32(2):196–201.(富月,柴天佑.具有未知动态的线性系统二人零和博弈问题在线学习方案[J].控制理论与应用,2015,32(2):196–201.)[2]YVES A,PEREZ V.Iterative strategies for solving linearized discrete mean field games systems[J].Netw Heterog Media,2012,7(2):197–217.[3]FU Y,FU J,CHAI T.Robust adaptive dynamic programming of two-player zero-sum games for continuous-time linear 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《人工智能》章节测试题目及答案
B、大数据 C、云计算 D、物联网 我的答案:A 3、【判断题】美国未来学家雷蒙德•库兹韦尔认为"人类 纯文明"的终结在2050年。 我的答案:X 4、【判断题】强人工智能观点认为有可能制造出真正推理和解决问题的智能机器。 我的答案:√ 2.4机器智能的内涵 1、【单选题】机器学习的实质在于()。 A、想 B、找 C、判断
我的答案:√ 6、【判断题】基于思维的、基于行为的、基于概率论统计的方法生成的智能都属于多模态知识学习。 我的答案:X 2.6互动环节 1、【单选题】一个良好的群体应该是()。 A、协同机制比竞争机制重要 B、竞争机制比协同机制重要 C、协同机制与竞争机制同等重要 D、有序的竞争 我的答案:D 2、【判断题】传统的机器学习方法的表现主要是算法,目前的机器学习主要是强化学习,具有自学习的能力。 我的答案:√ 3、【判断题】在计算机方面,更多的是在生理层面进行模拟。 我的答案:X
1.【单选题】以下关于未来人类智能与机器智能共融的二元世界叙述不正确的是()。 A、人类智能与机器智能具有平等性 B、机器智能是模仿人类智能 C、人类智能与机器智能均具有群智行 D、人工智能与机器智能均具有发展性、合作性 我的答案:B 2、【单选题】机器通过人类发现的问题空间的数据,进行机器学习,具有在人类发现的问题空间中求解的能力,并 且求解的过程与结果可以被人类智能(),此为机器智能的产生。 A、采纳 B、参考 &理解 D、相同 我的答案:C 3、【判断题】人类智能可以和机器智能相互融合。 我的答案:√
我的答案:A 3、【单选题】人类的学习类型不包括() A、计算学习 B、记忆学习 &规则学习 D、交互学习 我的答案:C 4、【单选题】人通过算法赋给机器的智能属于()。 A、自然智能空间 B、认识智能空间 C、物物智能空间 D、人工智能空间 我的答案:D 5、【判断题】基于神经网络,机器在图像识别的速度和准确率上超越人类。
基于微分博弈的可重构机器人系统最优人机交互控制
2023-11-04contents •引言•基于微分博弈的机器人控制理论•可重构机器人系统设计•最优人机交互控制策略•实验与分析•结论与展望目录01引言随着机器人技术的不断发展,人机交互已成为研究的热点之一。
为了提高机器人的智能和自主性,需要研究最优人机交互控制方法。
背景介绍通过对可重构机器人系统进行最优人机交互控制,可以提高机器人的适应性和灵活性,为未来的智能机器人发展提供重要的理论和技术支持。
意义研究背景与意义现状目前,已有许多研究机构和企业开展了可重构机器人系统的研究,并取得了一定的成果。
其中,基于微分博弈的方法是一种有效的控制方法。
挑战尽管基于微分博弈的方法已被证明是有效的,但仍然存在一些挑战,如如何处理复杂的动态环境、如何保证人机安全交互等问题。
研究现状与挑战研究内容本研究旨在研究基于微分博弈的可重构机器人系统最优人机交互控制方法,包括机器人的可重构性设计、动态环境建模、人机交互策略设计、实验验证等方面。
方法本研究采用理论建模和实验验证相结合的方法,首先对可重构机器人系统和人机交互进行建模,然后设计基于微分博弈的最优控制策略,最后通过实验验证方法的可行性和有效性。
研究内容与方法02基于微分博弈的机器人控制理论微分博弈基本理论微分博弈的定义01微分博弈是一种动态的决策理论,它研究的是在一组行为者之间进行的,具有连续时间状态和连续可微分的收益函数的动态博弈问题。
微分博弈的特点02微分博弈在处理动态决策问题上具有很大的优势,它能够处理多阶段决策问题,并考虑到时间因素对决策的影响。
微分博弈的解法03微分博弈的解法主要包括最优控制理论和动态规划理论,其中最优控制理论主要解决有限时间内的决策问题,而动态规划理论主要解决无限时间内的决策问题。
机器人控制系统的定义机器人控制系统是一种能够根据环境变化来调整自身状态的控制系统,它能够使机器人实现各种复杂的运动和操作。
机器人控制理论机器人控制系统的组成机器人控制系统主要由传感器、控制器和执行器三部分组成。
基于零和博弈的级联非线性系统的跟踪控制
Vol. 35 No. 2Apr. 2020第35卷第2期2020年4月北 京信息 科技大 学学报Journal of Beijing Information Science & Technology University文章编 号:1674 -6864(2020)02 -0043 -09 DOI : 10. 16508/j. mki. 11 -5866/n. 2020. 02. 009基于零和博弈的级联非线性系统的跟踪控制杨雪静,李庆奎,易军凯(北京信息科技大学自动化学院,北京100192)摘 要:针对带有不确定干扰的级联非线性系统的跟踪控制问题,将控制和干扰视为博弈的双方,在跟踪过程中将跟踪轨迹的最优性考虑在内,利用反推技术设计前馈控制器,将严格反馈系统的跟踪控制问题转化成等价的仿射系统的零和微分博弈问题;采用自适应动态规划 (adaptive dynamic programming , ADP )技术,构建评价网络、控制网络和干扰网络实时在线学习,近似求解非线性零和微分博弈产生的HJI ( hamilton-jacobi-isaacs )方程,进而得到值函数、控制策略和干扰策略。
利用Lyapunoe 理论,证明了基于反推技术的零和微分博弈的收敛性和闭环系统的稳 定性。
仿真实例验证了该方法的有效性。
关键词:级联;非线性;零和微分博弈;反推技术;跟踪控制中图分类号:TP 13 文献标志码:ATracking control of cascaded nonlinear systeme based on thezero-sem gameYANG Xuejing ,LI Qingkui ,YI Junkai(School of Automation ,Beijiny Information Science & Technoloea University ,Beijiny 100192,China)Abstract : The tracking control problem of coscoded nonlinear systems with an uncertain interferenco is investieated. The control and interference are og/ded as ye two sides ol the game ,and the optimality of the tracking tr/ectoo o taken into account in the tracking process. The feedfbo/dcontroller is designed by using backstepping technique to conveO ye tracking problem of ye stim feedback system into the zero-sum diCeontml game problem of the equivelent a/ine system. Adaptivedynamic programming ( ADP ) technology is used to constoct ye eveluation network , control network and interference network in real-time online learning ,and to solve approximately the Hamilton -Lacobi- Isaacs ( HJI) equations generated by ye nonlinear zero-sum deferential games. Then velue functions ,control strateaies and interference strateaies are obtained. By using Lyapunoe yeoy ,the converyence ofthe zero-sum dOFerential game based on the backstepping and the stability of the closed-loop system areproved. A simulation expeoment is co/Od out to illustrate ye eyectivenvs of ye proposed meyod.Keyword : 131X0; nonlinear ; zero-sum diOeontiO game ; backstepping technique ; trackingcontao-o 引言近年来,非线性系统的跟踪问题和最优控制问题作为控制理论的研究热点得到研究者的广泛关 注[1]。
基于非合作博弈的多小区D2 D资源分配算法
基于非合作博弈的多小区D2 D资源分配算法
张勇;凌亚;卢彦博
【期刊名称】《光通信研究》
【年(卷),期】2016(000)002
【摘要】在蜂窝网络与D2D(设备到设备)网络构成的混合网络中,针对小区内和小区间各用户之间的干扰,研究了多小区D2D通信系统中的资源分配问题,引入非合作博弈理论和定价机制,设计了一种改进的带有干扰因素的效用函数对D2D用户进行功率控制,同时考虑了公平性和系统干扰.通过验证功率控制模型中纳什均衡的存在性和唯一性,得到D2D用户博弈之后的一个稳定状态.仿真结果表明,所提算法不仅能提高用户的公平性,还能提高系统的吞吐量,提升系统性能.
【总页数】4页(P75-78)
【作者】张勇;凌亚;卢彦博
【作者单位】重庆邮电大学通信新技术应用研究中心,重庆 400065;重庆信科设计有限公司,重庆 400065;重庆邮电大学通信新技术应用研究中心,重庆 400065;重庆邮电大学通信新技术应用研究中心,重庆 400065
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.5
【相关文献】
1.基于非合作博弈论的多小区OFDMA系统动态资源分配算法研究 [J], 仲崇显;李春国;杨绿溪
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5.基于非合作博弈模型的跨层资源分配算法 [J], 张皓;周志杰;郑翔;张文强;范章君因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
不对称约束多人非零和博弈的自适应评判控制
第40卷第9期2023年9月控制理论与应用Control Theory&ApplicationsV ol.40No.9Sep.2023不对称约束多人非零和博弈的自适应评判控制李梦花,王鼎,乔俊飞†(北京工业大学信息学部,北京100124;计算智能与智能系统北京市重点实验室,北京100124;智慧环保北京实验室,北京100124;北京人工智能研究院,北京100124)摘要:本文针对连续时间非线性系统的不对称约束多人非零和博弈问题,建立了一种基于神经网络的自适应评判控制方法.首先,本文提出了一种新颖的非二次型函数来处理不对称约束问题,并且推导出最优控制律和耦合Hamilton-Jacobi方程.值得注意的是,当系统状态为零时,最优控制策略是不为零的,这与以往不同.然后,通过构建单一评判网络来近似每个玩家的最优代价函数,从而获得相关的近似最优控制策略.同时,在评判学习期间发展了一种新的权值更新规则.此外,通过利用Lyapunov理论证明了评判网络权值近似误差和闭环系统状态的稳定性.最后,仿真结果验证了本文所提方法的有效性.关键词:神经网络;自适应评判控制;自适应动态规划;非线性系统;不对称约束;多人非零和博弈引用格式:李梦花,王鼎,乔俊飞.不对称约束多人非零和博弈的自适应评判控制.控制理论与应用,2023,40(9): 1562–1568DOI:10.7641/CTA.2022.20063Adaptive critic control for multi-player non-zero-sum games withasymmetric constraintsLI Meng-hua,WANG Ding,QIAO Jun-fei†(Faculty of Information Technology,Beijing University of Technology,Beijing100124,China;Beijing Key Laboratory of Computational Intelligence and Intelligent System,Beijing100124,China;Beijing Laboratory of Smart Environmental Protection,Beijing100124,China;Beijing Institute of Artificial Intelligence,Beijing100124,China)Abstract:In this paper,an adaptive critic control method based on the neural networks is established for multi-player non-zero-sum games with asymmetric constraints of continuous-time nonlinear systems.First,a novel nonquadratic func-tion is proposed to deal with asymmetric constraints,and then the optimal control laws and the coupled Hamilton-Jacobi equations are derived.It is worth noting that the optimal control strategies do not stay at zero when the system state is zero, which is different from the past.After that,only a critic network is constructed to approximate the optimal cost function for each player,so as to obtain the associated approximate optimal control strategies.Meanwhile,a new weight updating rule is developed during critic learning.In addition,the stability of the weight estimation errors of critic networks and the closed-loop system state is proved by utilizing the Lyapunov method.Finally,simulation results verify the effectiveness of the method proposed in this paper.Key words:neural networks;adaptive critic control;adaptive dynamic programming;nonlinear systems;asymmetric constraints;multi-player non-zero-sum gamesCitation:LI Menghua,WANG Ding,QIAO Junfei.Adaptive critic control for multi-player non-zero-sum games with asymmetric constraints.Control Theory&Applications,2023,40(9):1562–15681引言自适应动态规划(adaptive dynamic programming, ADP)方法由Werbos[1]首先提出,该方法结合了动态规划、神经网络和强化学习,其核心思想是利用函数近似结构来估计最优代价函数,从而获得被控系统的近似最优解.在ADP方法体系中,动态规划蕴含最优收稿日期:2022−01−21;录用日期:2022−11−10.†通信作者.E-mail:***************.cn.本文责任编委:王龙.科技创新2030–“新一代人工智能”重大项目(2021ZD0112302,2021ZD0112301),国家重点研发计划项目(2018YFC1900800–5),北京市自然科学基金项目(JQ19013),国家自然科学基金项目(62222301,61890930–5,62021003)资助.Supported by the National Key Research and Development Program of China(2021ZD0112302,2021ZD0112301,2018YFC1900800–5),the Beijing Natural Science Foundation(JQ19013)and the National Natural Science Foundation of China(62222301,61890930–5,62021003).第9期李梦花等:不对称约束多人非零和博弈的自适应评判控制1563性原理提供理论基础,神经网络作为函数近似结构提供实现手段,强化学习提供学习机制.值得注意的是, ADP方法具有强大的自学习能力,在处理非线性复杂系统的最优控制问题上具有很大的潜力[2–7].此外, ADP作为一种近似求解最优控制问题的新方法,已经成为智能控制与计算智能领域的研究热点.关于ADP的详细理论研究以及相关应用,读者可以参考文献[8–9].本文将基于ADP的动态系统优化控制统称为自适应评判控制.近年来,微分博弈问题在控制领域受到了越来越多的关注.微分博弈为研究多玩家系统的协作、竞争与控制提供了一个标准的数学框架,包括二人零和博弈、多人零和博弈以及多人非零和博弈等.在零和博弈问题中,控制输入试图最小化代价函数而干扰输入试图最大化代价函数.在非零和博弈问题中,每个玩家都独立地选择一个最优控制策略来最小化自己的代价函数.值得注意的是,零和博弈问题已经被广泛研究.在文献[10]中,作者提出了一种改进的ADP方法来求解多输入非线性连续系统的二人零和博弈问题.An等人[11]提出了两种基于积分强化学习的算法来求解连续时间系统的多人零和博弈问题.Ren等人[12]提出了一种新颖的同步脱策方法来处理多人零和博弈问题.然而,关于非零和博弈[13–14]的研究还很少.此外,控制约束在实际应用中也广泛存在.这些约束通常是由执行器的固有物理特性引起的,如气压、电压和温度.因此,为了确保被控系统的性能,受约束的系统需要被考虑.Zhang等人[15]发展了一种新颖的事件采样ADP方法来求解非线性连续约束系统的鲁棒最优控制问题.Huo等人[16]研究了一类非线性约束互联系统的分散事件触发控制问题.Yang和He[17]研究了一类具有不匹配扰动和输入约束的非线性系统事件触发鲁棒镇定问题.这些文献考虑的都是对称约束,而实际应用中,被控系统受到的约束也可能是不对称的[18–20],例如在污水处理过程中,需要通过氧传递系数和内回流量对溶解氧浓度和硝态氮浓度进行控制,而根据实际的运行条件,这两个控制变量就需要被限制在一个不对称约束范围内[20].因此,在控制器设计过程中,不对称约束问题将是笔者研究的一个方向.到目前为止,关于具有控制约束的微分博弈问题,有一些学者取得了相应的研究成果[12,21–23].但可以发现,具有不对称约束的多人非零和博弈问题还没有学者研究.同时,在多人非零和博弈问题中,相关的耦合Hamilton-Jacobi(HJ)方程是很难求解的.因此,本文针对一类连续时间非线性系统的不对称约束多人非零和博弈问题,提出了一种自适应评判控制方法来近似求解耦合HJ方程,从而获得被控系统的近似最优解.本文的主要贡献如下:1)首次将不对称约束应用到连续时间非线性系统的多人非零和博弈问题中;2)提出了一种新颖的非二次型函数来处理不对称约束问题,并且当系统状态为零时,最优控制策略是不为零的,这与以往不同;3)在学习期间,用单一评判网络结构代替了传统的执行–评判网络结构,并且提出了一种新的权值更新规则;4)利用Lyapunov方法证明了评判网络权值近似误差和系统状态的一致最终有界(uniformly ultimately bounded,UUB)稳定性.2问题描述考虑以下具有不对称约束的N–玩家连续时间非线性系统:˙x(t)=f(x(t))+N∑j=1g j(x(t))u j(t),(1)其中:x(t)∈Ω⊂R n是状态向量且x(0)=x0为初始状态,R n代表由所有n-维实向量组成的欧氏空间,Ω是R n的一个紧集;u j(t)∈T j⊂R m为玩家j在时刻t所选择的策略,且T j为T j={[u j1u j2···u jm]T∈R m:u j min u jl u j max, |u j min|=|u j max|,l=1,2,···,m},(2)其中:u jmin∈R和u j max∈R分别代表控制输入分量的最小界和最大界,R表示所有实数集.假设1非线性系统(1)是可控的,并且x=0是被控系统(1)的一个平衡点.此外,∀j∈N,f(x)和g j(x)是未知的Lipschitz函数且f(0)=0,其中集合N={1,2,···,N},N 2是一个正整数.假设2∀j∈N,g j(0)=0,且存在一个正常数b gj使∥g j(x)∥ b gj,其中∥·∥表示在R n上的向量范数或者在R n×m上的矩阵范数,R n×m代表由所有n×m维实矩阵组成的空间.注1假设1–3是自适应评判领域的常用假设,例如文献[6,13,19],是为了保证系统的稳定性以及方便后文中的稳定性证明,其中假设3出现在后文中的第3.2节.定义与每个玩家相关的效用函数为U i(x,U)=x T Q i x+N∑j=1S j(u j),i∈N,(3)其中U={u1,u2,···,u N}并且Q i是一个对称正定矩阵.此外,为了处理不对称约束问题,令S j(u j)为S j(u j)=2αj m∑l=1ujlβjtanh−1(z−βjαj)d z,(4)其中αj和βj分别为αj=u jmax−u j min2,βj=u jmax+u jmin2.(5)因此,与每个玩家相关的代价函数可以表示为J i(x0,U)=∞U i(x,U)dτ,i∈N,(6)1564控制理论与应用第40卷本文希望构建一个Nash均衡U∗={u∗1,u∗2,···,u∗N},来使以下不等式被满足:J i(u∗1,···,u∗i,···,u∗N)J i(u∗1,···,u i,···,u∗N),(7)其中i∈N.为了方便,将J i(x0,U)简写为J i(x0).于是,每个玩家的最优代价函数为J∗i (x0)=minu iJ i(x0,U),i∈N.(8)在本文中,如果一个控制策略集的所有元素都是可容许的,那么这个集合是可容许的.定义1(容许控制[24])如果控制策略u i(x)是连续的,u i(x)可以镇定系统(1),并且J i(x0)是有限的,那么它是集合Ω上关于代价函数(6)的可容许控制律,即u i(x)∈Ψ(Ω),i∈N,其中,Ψ(Ω)是Ω上所有容许控制律的集合.对于任意一个可容许控制律u i(x)∈Ψ(Ω),如果相关代价函数(6)是连续可微的,那么非线性Lyapu-nov方程为0=U i(x,U)+(∇J i(x))T(f(x)+N∑j=1g j(x)u j),(9)其中:i∈N,J i(0)=0,并且∇(·) ∂(·)∂x.根据最优控制理论,耦合HJ方程为0=minU H i(x,U,∇J∗i(x)),i∈N,(10)其中,Hamiltonian函数H i(x,U,∇J∗i(x))为H i(x,U,∇J∗i(x))=U i(x,U)+(∇J∗i (x))T(f(x)+N∑j=1g j(x)u j),(11)进而,由∂H i(x,U,∇J∗i(x))∂u i=0可得出最优控制律为u∗i (x)=−αi tanh(12αig Ti(x)∇J∗i(x))+¯βi,i∈N,(12)其中¯βi=[βiβi···βi]T∈R m.注2根据式(2)和式(5),能推导出βi=0,即¯βi=0,又根据式(12)可知u∗i(0)=0,i∈N.因此,为了保证x=0是系统(1)的平衡点,在假设2中提出了条件∀j∈N,g j(0)=0.将式(12)代入式(10),耦合HJ方程又能表示为(∇J∗i (x))T f(x)+N∑j=1((∇J∗i(x))T g j(x)¯βj)+x T Q i x−N∑j=1((∇J∗i(x))Tαj g j(x)tanh(A j(x)))+N∑j=1S j(−αj tanh(A j(x))+¯βj)=0,i∈N,(13)其中J∗i(0)=0并且A j(x)=12αjg Tj(x)∇J∗j(x).如果已知每个玩家的最优代价函数值,那么相关的最优状态反馈控制律就可以直接获得,也就是说式(13)是可解的.可是,式(13)这种非线性偏微分方程的求解是十分困难的.同时,随着系统维数的增加,存储量和计算量也随之以指数形式增加,也就是平常所说的“维数灾”问题.因此,为了克服这些弱点,在第3部分提出了一种基于神经网络的自适应评判机制,来近似每个玩家的最优代价函数,从而获得相关的近似最优状态反馈控制策略.3自适应评判控制设计3.1神经网络实现本节的核心是构建并训练评判神经网络,以得到训练后的权值,从而获得每个玩家的近似最优代价函数值.首先,根据神经网络的逼近性质[25],可将每个玩家的最优代价函数J∗i(x)在紧集Ω上表示为J∗i(x)=W Tiσi(x)+ξi(x),i∈N,(14)其中:W i∈Rδ是理想权值向量,σi(x)∈Rδ是激活函数,δ是隐含层神经元个数,ξi(x)∈R是重构误差.同时,可得出每个玩家的最优代价函数梯度为∇J∗i(x)=(∇σi(x))T W i+∇ξi(x),i∈N,(15)将式(15)代入式(12),有u∗i(x)=−αi tanh(B i(x)+C i(x))+¯βi,i∈N,(16)其中:B i(x)=12αig Ti(x)(∇σi(x))T W i∈R m,C i(x)=12αig Ti(x)∇ξi(x)∈R m.然后,将式(15)代入式(13),耦合HJ方程变为W Ti∇σi(x)f(x)+(∇ξi(x))T f(x)+x T Q i x+N∑j=1((W Ti∇σi(x)+(∇ξi(x))T)g j(x)¯βj)−N∑j=1(αj W Ti∇σi(x)g j(x)tanh(B j(x)+C j(x)))−N∑j=1(αj(∇ξi(x))T g j(x)tanh(B j(x)+C j(x)))+N∑j=1S j(−αj tanh(B j(x)+C j(x))+¯βj)=0,i∈N.(17)值得注意的是,式(14)中的理想权值向量W i是未知的,也就是说式(16)中的u∗i(x)是不可解的.因此,第9期李梦花等:不对称约束多人非零和博弈的自适应评判控制1565构建如下的评判神经网络:ˆJ∗i (x)=ˆW Tiσi(x),i∈N,(18)来近似每个玩家的最优代价函数,其中ˆW i∈Rδ是估计的权值向量.同时,其梯度为∇ˆJ∗i(x)=(∇σi(x))TˆW i,i∈N.(19)考虑式(19),近似的最优控制律为ˆu∗i(x)=−αi tanh(D i(x))+¯βi,i∈N,(20)其中D i(x)=12αig Ti(x)(∇σi(x))TˆW i.同理,近似的Hamiltonian可以写为ˆHi(x,ˆW i)=ˆW T i ϕi+x T Q i x+N∑j=1(ˆW Ti∇σi(x)g j(x)¯βj)−N ∑j=1(αjˆW Ti∇σi(x)g j(x)tanh(D j(x)))+N∑j=1S j(−αj tanh(D j(x))+¯βj),i∈N,(21)其中ϕi=∇σi(x)f(x).此外,定义误差量e i=ˆH i(x,ˆW i )−H i(x,U∗,∇J∗i(x))=ˆH i(x,ˆW i).为了使e i足够小,需要训练评判网络来使目标函数E i=12e Tie i最小化.在这里,本文采用的训练准则为˙ˆW i =−γi1(1+ϕTiϕi)2(∂E i∂ˆW i)=−γiϕi(1+ϕTiϕi)2e i,i∈N,(22)其中:γi>0是评判网络的学习率,(1+ϕT iϕi)2用于归一化操作.此外,定义评判网络的权值近似误差为˜Wi=W i−ˆW i.因此,有˙˜W i =γiφi1+ϕTiϕie Hi−γiφiφT i˜W i,i∈N,(23)其中:φi=ϕi(1+ϕTiϕi),e Hi=−(∇ξi(x))T f(x)是残差项.3.2稳定性分析本节的核心是通过利用Lyapunov方法讨论评判网络权值近似误差和闭环系统状态的UUB稳定性.这里,给出以下假设:假设3∥∇ξi(x)∥ b∇ξi ,∥∇σi(x)∥ b∇σi,∥e Hi∥ b e Hi,∥W i∥ b W i,其中:b∇ξi,b∇σi,b e Hi,b W i 都是正常数,i∈N.定理1考虑系统(1),如果假设1–3成立,状态反馈控制律由式(20)给出,且评判网络权值通过式(22)进行训练,则评判网络权值近似误差˜W i是UUB 稳定的.证选取如下的Lyapunov函数:L1(t)=N∑i=1(12˜W Ti˜Wi)=N∑i=1L1i(t),(24)计算L1i(t)沿着式(23)的时间导数,即˙L1i(t)=γi˜W Tiφi1+ϕTiϕie Hi−γi˜W TiφiφTi˜Wi,i∈N,(25)利用不等式¯X T¯Y12∥¯X∥2+12∥¯Y∥2(注:¯X和¯Y都是具有合适维数的向量),并且考虑1+ϕTiϕi 1,能得到˙L1i(t)γi2(∥φTi˜Wi∥2+∥e Hi∥2)−γi˜W TiφiφTi˜Wi=−γi2˜W TiφiφTi˜Wi+γi2∥e Hi∥2,i∈N.(26)根据假设3,有˙L1i(t) −γi2λmin(φiφTi)∥˜W i∥2+γi2b2e Hi,i∈N,(27)其中λmin(·)表示矩阵的最小特征值.因此,当不等式∥˜W i∥>√b2e Hiλmin(φiφTi),i∈N(28)成立时,有˙L1i(t)<0.根据标准的Lyapunov定理[26],可知评判网络权值近似误差˜W i是UUB稳定的.证毕.定理2考虑系统(1),如果假设1–3成立,状态反馈控制律由式(20)给出,且评判网络权值通过式(22)进行训练,则系统状态x(t)是UUB稳定的.证选取如下的Lyapunov函数:L2i(t)=J∗i(x),i∈N.(29)计算L2i(t)沿着系统˙x=f(x)+N∑j=1g j(x)ˆu∗j的时间导数,即˙L2i(t)=(∇J∗i(x))T(f(x)+N∑j=1g j(x)ˆu∗j)=(∇J∗i(x))T(f(x)+N∑j=1g j(x)u∗j)+N∑j=1((∇J∗i(x))T g j(x)(ˆu∗j−u∗j)),i∈N.(30)考虑式(13),有˙L2i(t)=−x T Q i x−N∑j=1S j(u∗j)+N∑j=1((∇J∗i(x))T g j(x)(ˆu∗j−u∗j))Σi,i∈N,(31)1566控制理论与应用第40卷利用不等式¯XT ¯Y 12∥¯X ∥2+12∥¯Y ∥2,并且考虑式(15)–(16)(20),可得Σi 12N ∑j =1∥−αj tanh (D j (x ))+αj tanh (F j (x ))∥2+12N ∑j =1∥g Tj (x )((∇σi (x ))T W i +∇ξi (x ))∥2,i ∈N ,(32)其中F j (x )=B j (x )+C j (x ).然后,利用不等式∥¯X+¯Y∥2 2∥¯X ∥2+2∥¯Y ∥2,有Σi N ∑j =1(∥αj tanh (D j (x ))∥2+∥αj tanh (F j (x ))∥2)+N ∑j =1∥g Tj (x )(∇σi (x ))T W i ∥2+N ∑j =1∥g T j (x )∇ξi (x )∥2,i ∈N ,(33)其中D j (x )∈R m ,F j (x )∈R m 分别被表示为[D j 1(x )D j 2(x )···D jm (x )]T 和[F j 1(x )F j 2(x )···F jm (x )]T .易知,∀θ∈R ,tanh 2θ 1.因此,有∥tanh (D j (x ))∥2=m ∑l =1tanh 2(D jl (x )) m,(34)∥tanh (F j (x ))∥2=m ∑l =1tanh 2(F jl (x )) m.(35)同时,根据假设2–3,有Σi N ∑j =1(2α2j m +b 2g j b 2∇σi b 2W i +b 2g j b 2∇ξi ),i ∈N ,(36)根据式(2)(4)–(5),可知S j (u ∗j ) 0.于是,有˙L2i (t ) −λmin (Q i )∥x ∥2+ϖi ,i ∈N ,(37)其中ϖi =N ∑j =1(2α2j m +b 2g j b 2∇σi b 2W i +b 2g j b 2∇ξi ).因此,根据式(37)可知,当不等式∥x ∥>√ϖiλmin (Q i )成立时,有˙L2i (t )<0.即,如果x (t )满足下列不等式:∥x ∥>max {√ϖ1λmin (Q 1),···,√ϖNλmin (Q N )},(38)则,∀i ∈N ,都有˙L 2i (t )<0.同理,可得闭环系统状态x (t )也是UUB 稳定的.证毕.4仿真结果考虑如下的3–玩家连续时间非线性系统:˙x =[−1.2x 1+1.5x 2sin x 20.5x 1−x 2]+[01.5sin x 1cos x 1]u 1(x )+[1.2sin x 1cos x 2]u 2(x )+[01.1sin x 2]u 3(x ),(39)其中:x (t )=[x 1x 2]T ∈R 2是状态向量,u 1(x )∈T 1={u 1∈R :−1 u 1 2},u 2(x )∈T 2={u 2∈R :−0.2 u 2 1}和u 3(x )∈T 3={u 3∈R :−0.4 u 3 0.8}是控制输入.令Q 1=2I 2,Q 2=1.8I 2,Q 3=0.3I 2,其中I 2代表2×2维单位矩阵.同时,根据式(5)可知,α1=1.5,β1=0.5,α2=0.6,β2=0.4,α3=0.6,β3=0.2.因此,与每个玩家相关的代价函数可以表示为J i (x 0)= ∞0(x TQ i x +3∑j =1S j (u j ))d τ,i =1,2,3,(40)其中S j (u j )=2αju jβj tanh −1(z −βjαj)d z =2αj (u j −βj )tanh −1(u j −βjαj)+α2j ln (1−(u j −βj )2α2j).(41)然后,本文针对系统(39)构建3个评判神经网络,每个玩家的评判神经网络权值分别为ˆW1=[ˆW 11ˆW 12ˆW13]T ,ˆW 2=[ˆW 21ˆW 22ˆW 23]T ,ˆW 3=[ˆW 31ˆW 32ˆW33]T ,激活函数被定义为σ1(x )=σ2(x )=σ3(x )=[x 21x 1x 2x 22]T,且隐含层神经元个数为δ=3.此外,系统初始状态取x 0=[0.5−0.5]T ,每个评判神经网络的学习率分别为γ1=1.5,γ2=0.8,γ3=0.2,且每个评判神经网络的初始权值都在0和2之间选取.最后,引入探测噪声η(t )=sin 2(−1.2t )cos(0.5t )+cos(2.4t )sin 3(2.4t )+sin 5t +sin 2(1.12t )+sin 2t ×cos t +sin 2(2t )cos(0.1t ),使得系统满足持续激励条件.执行学习过程,本文发现每个玩家的评判神经网络权值分别收敛于[6.90912.99046.6961]T ,[4.89012.23475.2062]T ,[1.79450.33212.4583]T .在60个时间步之后去掉探测噪声,每个玩家的评判网络权值收敛过程如图1–3所示.然后,将训练好的权值代入式(20),能得到每个玩家的近似最优控制律,将其应用到系统(39),经过10个时间步之后,得到的状态轨迹和控制轨迹分别如图4–5所示.由图4可知,系统状态最终收敛到了平衡点.由图5可知,每个玩家的控制轨迹都没有超出预定的边界,并且可以观察到u 1,u 2和u 3分别收敛于0.5,0.4和0.2.综上所述,仿真结果验证了所提方法的有效性.第9期李梦花等:不对称约束多人非零和博弈的自适应评判控制1567䇴 㖁㔌U / s图1玩家1的评判网络权值收敛过程Fig.1Convergence process of the critic network weights forplayer1䇴 㖁㔌U / s图2玩家2的评判网络权值收敛过程Fig.2Convergence process of the critic network weights forplayer2﹣䇴 㖁㔌U / s图3玩家3的评判网络权值收敛过程Fig.3Convergence process of the critic network weights forplayer 35结论本文首次将不对称约束应用到连续时间非线性系统的多人非零和博弈问题中.首先,获得了最优状态反馈控制律和耦合HJ 方程,并且为了解决不对称约束问题,建立了一种新的非二次型函数.值得注意的是,当系统状态为零时,最优控制策略是不为零的.其次,由于耦合HJ 方程不易求解,提出了一种基于神经网络的自适应评判算法来近似每个玩家的最优代价函数,从而获得相关的近似最优控制律.在实现过程中,用单一评判网络结构代替了经典的执行–评判结构,并且建立了一种新的权值更新规则.然后,利用Lyap-unov 理论讨论了评判网络权值近似误差和系统状态的UUB 稳定性.最后,仿真结果验证了所提算法的可行性.在未来的工作中,会考虑将事件驱动机制引入到连续时间非线性系统的不对称约束多人非零和博弈问题中,并且将该研究内容应用到污水处理系统中也是笔者的一个重点研究方向.﹣0.5﹣0.4﹣0.3﹣0.2﹣0.10.00.10.20.00.10.20.30.40.5(U )Y 1(U )Y 2图4系统(39)的状态轨迹Fig.4State trajectory of the system (39)0.00.51.01.52.00.00.20.40.60.81.01.200.012345678910﹣0.40.4﹣0.20.2(U )V 3(U )V 2(U )V 1U / s 012345678910U / s 012345678910U / s (c)(b)(a)(U )V 1(U )V 2(U )V 3图5系统(39)的控制轨迹Fig.5Control trajectories of the system (39)1568控制理论与应用第40卷参考文献:[1]WERBOS P J.Beyond regression:New tools for prediction andanalysis in the behavioral sciences.Cambridge:Harvard Universi-ty,1974.[2]HONG Chengwen,FU Yue.Nonlinear robust approximate optimaltracking control based on adaptive dynamic programming.Control Theory&Applications,2018,35(9):1285–1292.(洪成文,富月.基于自适应动态规划的非线性鲁棒近似最优跟踪控制.控制理论与应用,2018,35(9):1285–1292.)[3]CUI Lili,ZHANG Yong,ZHANG Xin.Event-triggered adaptive dy-namic programming algorithm for the nonlinear zero-sum differential games.Control Theory&Applications,2018,35(5):610–618.(崔黎黎,张勇,张欣.非线性零和微分对策的事件触发自适应动态规划算法.控制理论与应用,2018,35(5):610–618.)[4]WANG D,HA M,ZHAO M.The intelligent critic framework foradvanced optimal control.Artificial Intelligence Review,2022,55(1): 1–22.[5]WANG D,QIAO J,CHENG L.An approximate neuro-optimal solu-tion of discounted guaranteed cost control design.IEEE Transactions on Cybernetics,2022,52(1):77–86.[6]YANG X,HE H.Adaptive dynamic programming for decentralizedstabilization of uncertain nonlinear large-scale systems 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networks.Neural Networks,1990,3(5):551–560.[26]LEWIS F L,JAGANNATHAN S,YESILDIREK A.Neural NetworkControl of Robot Manipulators and Nonlinear Systems.London:Tay-lor&Francis,1999.作者简介:李梦花博士研究生,目前研究方向为自适应动态规划、智能控制,E-mail:*********************;王鼎教授,博士生导师,目前研究方向为智能控制、强化学习,E-mail:*****************.cn;乔俊飞教授,博士生导师,目前研究方向为智能计算、智能优化控制,E-mail:***************.cn.。
icfdm 2014评选的优秀结题项目清单
ICFDM (International Conference on Fuzzy Decision Making and Fuzzy Set Theory) 2014评选的优秀结题项目清单在ICFDM 2014年的国际模糊决策与模糊集理论会议上,评选出了一批优秀的结题项目,这些项目涉及了多个领域,包括智能系统、数据挖掘、控制技术等。
通过对这些项目的深度评估和分析,我们可以更好地了解模糊决策和模糊集理论在实际应用中的价值和潜力。
本文将对ICFDM 2014评选的优秀结题项目进行全面探讨,从简到繁地介绍这些项目的主要内容和意义,同时也共享一些我们个人的观点和理解。
1. 《基于模糊集理论的智能交通管理系统设计与实现》这个项目通过运用模糊集理论,设计了一种智能交通管理系统,旨在提高城市交通的效率和安全性。
在这个项目中,研究人员使用模糊逻辑推理和模糊控制技术,对交通流量进行预测和优化调度,从而有效缓解了交通拥堵问题。
通过这个项目的研究与实践,我们不仅可以看到模糊集理论在交通领域的应用前景,还能进一步了解智能系统在现代城市管理中的重要性。
2. 《基于模糊决策的大数据分析与挖掘》这个项目致力于将模糊决策方法应用于大数据分析和挖掘领域,旨在发掘数据中潜在的模式和规律。
研究人员使用了模糊聚类、模糊关联分析等方法,对海量数据进行处理和分析,取得了一系列有意义的发现和结论。
通过这个项目的实践,我们可以更清晰地看到模糊决策在大数据时代的重要作用,以及如何通过模糊集理论解决大数据分析中的问题。
3. 《模糊逻辑控制在智能机器人中的应用》该项目利用模糊逻辑控制技术,对智能机器人的运动和行为进行控制和规划,以实现对复杂环境的适应和智能化行为。
研究人员设计了一套基于模糊逻辑规则的智能机器人控制系统,并在实际场景中进行了测试和验证。
通过这项研究,我们可以深入了解模糊逻辑控制在智能系统中的潜力和局限性,以及如何通过模糊集理论实现对复杂系统的精准控制。
离散随机奇异系统的零和博弈及H∞控制
离散随机奇异系统的零和博弈及H∞控制周海英【摘要】针对噪声依赖于状态的It(o)型离散随机奇异系统,讨论其在有限时域下的零和博弈及基于博弈方法的H..控制问题.在最优控制(单人博弈)的基础上,利用配方法,得到了离散随机奇异系统鞍点均衡策略的存在等价于相应的耦合Riccati代数方程存在解,并给出了最优解的形式.进一步地,根据博弈方法应用于鲁棒控制问题的思路,得到离散随机奇异系统H∞控制问题的最优策略,最后根据动态投入产出问题的特性,建立相应的博弈模型,得到动态投入产出问题的均衡策略.【期刊名称】《南昌大学学报(理科版)》【年(卷),期】2017(041)006【总页数】5页(P519-523)【关键词】离散随机奇异系统;零和博弈;耦合Riccati代数方程;鞍点均衡策略【作者】周海英【作者单位】广州航海学院港口与航运管理系,广东广州 510725【正文语种】中文【中图分类】F224.32奇异系统由于其广泛的应用背景,自产生以来,得到了广泛研究 [1-4]。
随着研究的深入,随机奇异系统由于能更好的模拟现实实际,近年来,引起了众多研究者的兴趣。
在随机奇异系统的稳定性、最优控制及鲁棒控制方面都有不少成果。
Yan Z等研究了伊腾型随机广义系统的稳定性问题[5]。
Zhang W等研究了广义随机线性系统的稳定性问题[6];Jin H等研究了随机奇异系统的虑波问题[7]。
文献[8]把神经网络法应用于随机奇异系统不定线性二次控制问题中,得到了相应的Riccati微分方程;高明等研究了离散随机Markov跳跃系统的广义Lyapunov方程解的性质[9];张庆灵等在研究随机奇异系统的稳定性的基础上,得到了连续随机奇异系统线性二次最优控制的Riccati方程[10]。
Xing等研究了不确定广义随机线性系统的H∞鲁棒控制问题[11]。
Zhang和Zhao Y等研究了广义随机线性系统的H∞鲁棒控制问题[12-13] ;Shu Y等研究不确定连续时间奇异系统的稳定性和最优控制问题 [14]。
基于区间二型模糊逻辑系统的非线性大系统模糊自适应输出反馈分散控制
Ad p i e Ou p tf e b c c n r l e n r l f a tv t u -e d a k De e t a i d Co t o n i e r z o No l a n La g c l y t m sBa e n Ty e 2 Fu z g cS s e s r e s a eS s e s d o p — z y Lo i y t m — -
f z y l g c s tm sw e e e p oy d t p r xi ae t e u n u z o i yse r m l e o a p o m t h nk own n nln a u c i n,i o bi i g t e o i e rf n to nc m nn h t o y o uz y a a i e a d n m ln a e e tai e o to o b d sg e ,a n w y e 2 f z he r n a f z d ptv n o i e r d c n r lz d c n lt e e i n d e t p 一 uz y r
f z y a ptv c n r lz d c tols h m e g r a e d t e g o lsa iiy o he c o e —o p s tm u z da i e de e ta i e on r c e ua nte h l ba t b lt ft l s d l o yse a d g o r c i g p ro m a c a c i v d. m u a i n r s t h w e e f c i ne soft e p o os d n o d ta k n e f r n ew sa h e e Si l to e ulss o t fe t h ve s r p e h m eh0 t d
人工智能基础(习题卷35)
人工智能基础(习题卷35)第1部分:单项选择题,共50题,每题只有一个正确答案,多选或少选均不得分。
1.[单选题]函数f(x)=x^3-3x^2-9x+k在区间[-4,4]上的最大值为10,则其最小值为( )A)-10B)-71C)-15答案:B解析:2.[单选题]卷积神经网络是由以下哪位计算机学者谁提出来?A)HintonB)BengloC)LeCunD)Schmidhuber答案:C解析:3.[单选题]在智能电网调度控制系统中,域信息表中下列哪个域属性的设置和分钟级采样有关:()。
A)域特殊属性B)检索器所用域特性C)统计所用域特性D)自动生成量测类型答案:D解析:4.[单选题]机器人之父是指:( )A)阿兰.图灵B)伯纳斯.李C)莎佩克D)英格伯格和德沃尔答案:D解析:5.[单选题]( )影响遗传优化的结果和效率。
A)初始种群B)种群规模C)编码方式D)适应度函数答案:B解析:6.[单选题]for cf in range(-10): print(cf)请问运行的结果是?A)无显示答案:A解析:7.[单选题]决定人工神经网络性能的三大要素中没有( )。
A)神经元的特性B)神经元个数C)神经元之间的连接形式,即拓扑结构D)学习规则答案:B解析:8.[单选题]1999年,第一款集成了硬件 3D 加速单元的 GPU是由哪个公司发布?A)MicrosoftB)intelC)NVIDIAD)AMD答案:C解析:重大事件9.[单选题]当在内存网络中获得某个内存空间时,通常选择读取矢量形式数据而不是标量,这里需要的哪种类型的寻址来完成?A)基于内容的寻址B)基于位置的寻址C)都不行D)都可以答案:A解析:10.[单选题]( )完成文字到语义的转换。
A)自然语言理解B)句法分析C)语用分析D)语义分析答案:A解析:11.[单选题]下面哪种传感器可以用来拍摄运动物体?( )Interlaced Scan CCD sensor(隔行扫描)Progressive Scan CCD sensor(逐行扫描)Rolling Shutter CMOS sensor(行曝光)Global Shutter CMOS sensor(帧曝光)A)①②④B)②④C)③④D)①②③④答案:B解析:C)网络设备D)数据库管理系统答案:A解析:13.[单选题]图计算系统的数据结构很好地表达了数据之间的关联性,()是大数据计算的核心A)关联性计算B)相关性计算C)关系性计算D)互相关检验答案:A解析:图计算系统的数据结构很好地表达了数据之间的关联性,关联性计算是大数据计算的核心14.[单选题]以下机器学习中,在数据预处理时,不需要考虑归一化处理的是:()A)logistic回归B)SVMC)树形模型D)神经网络答案:C解析:15.[单选题]()要打破学习的垄断,弥补教育鸿沟,促进教育公平和教育的精准化。
转移概率部分未知的离散时间Markov跳变系统Nash微分博弈
转移概率部分未知的离散时间Markov跳变系统Nash微分
博弈
张成科;徐萌;杨璐
【期刊名称】《广东工业大学学报》
【年(卷),期】2024(41)2
【摘要】考虑到转移概率矩阵元素无法完全获悉,如何在转移概率部分未知的情境下研究离散时间Markov跳变系统Nash微分博弈是有待解决的问题之一,这一问题可以为转移概率部分未知的Markov跳变系统Nash微分博弈理论在管理问题上的应用提供理论支撑。
基于此,本文首先研究单人博弈情形,即ε-次优控制问题,借助自由连接权矩阵和配方法,得到了ε-次优控制策略存在的充分性条件,并给出了成本函数上界的显式表达;然后延伸至双人博弈进行分析,得到了ε-次优Nash均衡策略存在的条件等价于求解双线性矩阵不等式和矩阵不等式的优化问题,并通过启发式算法求解优化问题得到ε-次优Nash均衡策略;最后通过数值算例证明了主要结论的有效性。
【总页数】10页(P129-138)
【作者】张成科;徐萌;杨璐
【作者单位】广东工业大学经济学院;广东工业大学管理学院;广东技术师范大学管理学院
【正文语种】中文
【中图分类】F224
【相关文献】
1.部分转移概率未知的 Markov 跳变系统鲁棒故障检测
2.转移概率部分未知下Markov跳变系统的滑模控制
3.转移概率部分未知的不确定Markov跳变系统的鲁棒镇定
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最优化理论在智能决策与控制中应用
最优化理论在智能决策与控制中应用智能决策与控制是指利用人工智能和自动化技术,通过对大量数据的分析和处理,为问题的解决提供最佳化方案。
而最优化理论作为一种数学工具,可以有效地应用于智能决策与控制系统中,以提高系统的性能和效率。
本文将从最优控制、最优化算法和智能决策与控制系统中最优化应用三个方面探讨最优化理论在智能决策与控制中的应用。
一、最优控制最优控制是最优化理论在控制系统中的应用。
它通过数学模型和优化算法,寻找给定系统的最优控制策略,以最大程度地满足系统的性能要求。
最优控制的关键是确定目标函数和约束条件,以及选择适当的优化算法。
在智能决策与控制系统中,最优控制可以用来解决各种实际问题。
例如,在供应链管理中,可以利用最优控制模型来确定最佳的物流路线和配送策略,以降低成本和提高效率。
在机器人控制中,可以利用最优控制模型来规划机器人的运动轨迹和操作方式,以实现高效的任务执行。
在交通控制中,可以利用最优控制模型来调控交通信号和车流,以优化交通流量和减少拥堵。
二、最优化算法最优化算法是最优化理论的核心内容,它致力于寻找给定问题的最优解。
常见的最优化算法包括线性规划、非线性规划、整数规划、动态规划等。
在智能决策与控制系统中,最优化算法的应用非常广泛。
例如,在机器学习中,可以利用最优化算法来训练模型的参数,以使模型的预测误差最小化。
在数据挖掘中,可以利用最优化算法来发现大规模数据集中的隐藏模式和规律。
在优化调度中,可以利用最优化算法来分配资源和任务,以提高生产效率和降低成本。
三、智能决策与控制系统中的最优化应用智能决策与控制系统中的最优化应用主要涉及到决策和控制两个方面。
在决策方面,最优化可以帮助系统做出最佳的决策,以满足系统的目标和要求。
在控制方面,最优化可以帮助系统选择最佳的控制策略,以实现系统的稳定性和优化性能。
在智能决策中,最优化可以用来优化决策模型和评估指标。
例如,在股票投资中,可以利用最优化模型来确定最佳的投资组合,以实现最大的收益和最小的风险。
面向重构目标的控制系统可重构性
第39 卷第4 期2010 年8 月DOI:10.3724/SP.J.1219.2010.00391信息与控制Information and ControlVol.39, No.4Aug., 2010面向重构目标的控制系统可重构性关守平,杨飞生(东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110004)摘要:为了给可重构系统控制律重构综合提供设计依据,研究了线性化系统的控制可重构性分析问题.面向控制系统定义了5 个重构目标:稳定目标、定点恢复弱目标、轨迹恢复强目标、状态恢复直接目标和故障隐蔽目标.根据控制要求的强度,通过故障隐蔽目标,依次给出了线性闭环控制系统的稳定、弱重构、强重构和直接重构目标的可重构性条件.稳定(镇定)目标的重构条件主要从能控能观结构特性方面考虑,其它几个目标则以秩条件的形式给出.以一个线性MIMO 系统的例子来分析可重构性,验证了已得到的重构条件的正确性.关键词:重构目标;可重构性;能控能观结构分解;秩条件中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1002-0411(2010)-04-0391-06 Reconfiguration-Goal-Oriented Control System ReconfigurabilityGUAN Shouping ,YANG Feisheng(College of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110004, China)Abstract: For the sake of providing design insights into the synthesis of controller reconfiguration for reconfigurable systems, control reconfigurability of linearized systems is analyzed. Oriented to control systems, five reconfiguration goals are identified, that is, stabilization goal, setpoint recovery weak reconfiguration goal, trajectory recovery strong reconfiguration goal, state restoration direct reconfiguration goal and fault-masking goal. According to the strength of control requirements, reconfigurability of stabilization, weak, strong, and direct goals via the fault-masking one for the closed-loop linear control system are presented respectively. With regard to the stabilization goal, controllability and observability structural propertiesare mainly considered, and reconfigurability conditions are given in the form of rank conditions for others. Reconfigurability analysis is illustrated by a linear multi-input multi-output (MIMO) system, validating the achieved reconfiguration conditions.Keywords: reconfiguration goal; reconfigurability; controllability and observability structural decomposition; rank condi- tion1引言(Introduction)控制系统重构实际上是一个系统的可重构控制器在线自动重新设计的过程[1 -2].在设计可重构系统时,需预先知道对哪些故障情况或哪些部件失效能够通过重构达到容错,因此就要对系统的控制可重构性进行分析,从而为控制律重构的综合设计提供依据.有关系统的控制可重构性的研究文献比较少.线性系统的可重构性很大程度上取决于系统的控制冗余.程一综述了提高闭环可靠性的重构、冗余和鲁棒性方式,对线性多变量系统执行器和传感器的功能冗余性提出了约旦标准形和“一般性”两种分析方法,并论述了功能冗余性在系统重构中的作用[3 - 4].Wu 和周克敏等首次研究了反馈控制的冗余水平的度量问题,针对线性时不变系统,将最小二阶模式作为控制可重构性的度量,以此反映不管采用被动还是主动控制策略,故障发生时过程对象允许性能恢复的能力[5].控制可重构性本质上度量了不利条件下被控过程剩余的能控性和能观性.Gehin 和Straoswiecki 使用一般元件模型进行可重构性分析,从系统部件所提供的服务和为达到特定目标而组织的操作模式方面描述系统[6].Sebek 等基于2-D 矩阵多项式方程给出了2-D 系统的局部可控性和因果可重构性的充要条件,因果可重构性等价于一个准确观测器的存在性[7].Kaczorek 扩展建立了2-D 线性系统一般奇异模型的局部能控性、可达性和可重构性的充要条件[8].文[9] 给出了一种引入新控制元件的平滑方法,通过终端连接保证了重构过渡基金项目:国家自然科学基金资助项目(60974070);辽宁省自然科学基金资助项目(20082026).通讯作者:杨飞生,*************************收稿/录用/修回:2009-09-25/2010-01-13/2010-06-13阶段的稳定性.以上文献主要从稳定角度考虑可重构性,稳定目标只要求重构回路是稳定的.由于控制重构的目标依原始控制器的目标而定,而单独的稳定目标不足以描述所有问题,并且实际应用中常需要将目标加强,例如要求重构后闭环输出能跟踪上重构前闭环的外部输出、重构前后闭环的外部输出尽可能一致、控制对象的状态受故障的影响尽量小等.因此,本文将定义5 个重构目标,研究采用主动控制策略时可重构性分析的方法,从不同角度出发,要求逐渐加强,依次给出1-D 线性系统的重构条件,从而丰富了控制系统可重构性分析的理论研究,也为实际的可重构系统设计提供了重要依据.2重构目标(Reconfiguration goals)标称对象的线性化模型为x˙= A x+ B u+ B d d,y = Cx 初始状态x0 、d、B d和C z 与标称对象相同.重构控制回路由故障对象模型、重构模块和标称控制器来定义,如图1 所示.一个标称控制回路的最普通的控制目标是镇定系统、达到一个稳态输出(定点跟踪)和跟随一个给定的轨迹(完美跟踪).这些目标也适用于故障控制回路,从而引出下面的重构目标.稳定目标:恢复标称控制回路的稳定性,弱重构目标为恢复输出平衡点,强重构目标为恢复系统的动态行为.z = C z x, x(0) = x0(1) 其中,x 是n 维对象状态;u 和d 分别为p 维控制输入和q 维干扰输入,y 和z 分别为r 维量测输出和t 维外部输出;系数矩阵由未线性化的系统函数平衡点处的雅可比矩阵定义.控制器为n c 维状态空间系统x˙c= A c x c + B c(w−yc)u c = C c x c + D c(w−yc) (2)x c(0) = 0设w 为v 维的参考输入.在标称控制回路中u = u c, yc= y (3) 从而得出闭环模型图 1 重构控制回路的目标Fig.1 Goals of the reconfigured control loop另给出两个与常规控制不同的目标的定义:直接重构目标,恢复对象的状态轨迹;故障隐蔽目标,从控制器一侧隐藏故障.假设重构控制回路的极点是σ(A fs),其中A fs 是由故障对象、重构模块和标称控制器组成回路的系d x xB D c B d统矩阵.一般重构问题定义的5 个重构目标也适用d tc = Asx c+B cw+ d于线性重构问题.稳定目标稳定目标要求重构回路是稳定的.y = Cx, z = C z x, A s = A−B D c BC c−B c C A c(4)一个线性系统简单的稳定性判据是所有极点必须位于复平面的左半部分.此处使用这个标准的一个条件更强的D 稳定变体,要求极点位于一个设计集合参考信号馈入控制器的这种方式可能是限制性的,但这种假定结构仍不失一般性.因为向量yc可由额外的零子向量扩展,以使对于此子向量相减的C D:其中C Dσ(A fs) ⊂C D (6) 是C−的一个子集,C 表示复数域集合.此结果只依赖于参考输入w.故障对象的模型以同样方式线性化:x˙f= A f x f + B f u f+ B d d,yf= C f x f z f = C z x f,x f(0) = x0(5)标准考虑到像相位裕度和调节时间等额外要求的陈述.弱重构目标弱重构目标需要重构回路的外部输出静态情形与标称回路的输出匹配.标称回路从x两个输入 u 与 d 到输出 y 的传递函数 G 和重构回路 的 G r 可以表示为故障而改变,所以这个问题可解的一个充要条件是 故障对象的所有不能控极点位于 C D 内.U (s ) U c (s )定义:对于上述的线性化系统,有:Y (s ) = G (s )D (s ), Y c (s ) = G r (s ) D (s ) (1) 若系统能控,即能控对 (A , B ) 满秩,执行器 失效后故障系统仍是能控的,即能控对 (A , B f ) 满秩, 为了满足弱目标,两者静态时应相等:G (0) − G r (0) = 0(7)强重构目标 强目标要求重构回路的外部行为 与标称回路的行为精确匹配.对于传递函数来讲,有则称该执行器对本系统是能控冗余的.(2) 若系统是能镇定的,系统的不能控部分是渐 近稳定的,执行器失效后故障系统仍是能镇定的, 则称该执行器对系统是能镇定冗余的.(3) 若系统能观,即能观对 (A , C ) 满秩,传感器 失效后故障系统仍能观,即能观对 (A , C f ) 满秩,则 ∀s : G (s ) = G r (s )(8)这个目标导出了最复杂的解.直接重构目标 这个目标要求对象的状态受到 故障的影响尽可能地小.如果对于所有的 w 、x 0 和 d ,有∀t : x f (t ) = x (t )(9)则直接重构目标得到满足.故障隐蔽目标 最后的故障隐蔽目标是一个技 术目标,引进它是为从控制器视角定义重构模块的 行为.此目标对对象侧回路无影响,因此它不限制 重构问题的可解性.然而,它有助于限制资格解的 重构模块集.这个目标要求控制器视角侧不受故障影响.若 标称控制和重构控制回路的控制器输入相同,那么 对于所有 w 和 x 0(但无 d ),有∀t : y c (t ) = y (t )(10)这可由控制器的能观测极点不受故障影响的事 实直接得到.引理 1:假设初始状态 x = x f = x 0 = 0 是一个平 衡点,所以没有自由运动.那么,如果被重构对象与 标称对象具有相同的输入/输出行为,则故障隐蔽 目标得到满足.证明:此引理可通过一个简单的系统理论分析 得出.标称和重构控制环两者都分别由两部分组成: 控制器(两种情况相同)和标称对象或被重构对象. 由假设可以得出两个控制器和对象的开环链在输称该传感器对本系统是能观冗余的.(4) 若系统是能检测的,即系统不能观部分是渐 近稳定的,传感器失效后故障系统仍是能检测的, 则称该传感器对系统是能检测冗余的.命题 1:若执行器对系统是能控冗余的,则系统 对该执行器失效可重构;若执行器对系统是能镇定 冗余的,则系统对执行器失效是稳定意义上可重构 的.命题 2:若传感器对系统是能观冗余的,则系统 对该传感器失效可重构;若传感器对系统是能检测 冗余的,则系统对传感器失效稳定意义可重构.命题 3:若系统的能控冗余度为 k ,则对任意的 k 个执行器失效,系统是完全可重构的;若系统的能 镇定冗余度为 k ,则对任意的 k 个执行器失效,系统 是稳定意义上可重构的.命题 4:若系统的能观冗余度为 k ,则对任意的 k 个传感器失效,系统是完全可重构的;若系统的能 检测冗余度为 k ,则对任意的 k 个传感器失效,系统 是稳定意义上可重构的.基于上面的定义与命题,下面提出一种可用于 线性系统的可重构性分析方法.设R = rank (B f , A A B B f, · · · , A n −1 B f ) (11)1) 若 R = n ,则 (A , B f ) 完全能控,B f 是可重构 的;2) 若 R < n ,则对 (A , B f ) 作能控性结构分解 入/输出行为上相同.因此,两个闭环系统表现出相x˙fc11 A ¯ 12 x fc f1 同的行为,包括相同的输出.3 可重构性分析(Reconfigurability analy-sis )x ˙ fc¯ = 0 A ¯ 22xfc x fc¯ + 0 u f(12)3.1 基于稳定目标的可重构性分析如果故障对象包含 C D 外的固定极点,稳定目 y f = .C ¯ 1 C¯ 2. x fc¯(13) 标明显不能达到.因为对象的能观测性不因执行器得到能控部分 A ¯ 11 和不能控部分 A ¯ 22,能控部分 A ¯ B ¯−的极点可以通过引入状态反馈阵或输出反馈阵而任意配置;不能控部分则不能配置,但只要 A ¯ 22 的极点 如果故障对象的解空间包含标称对象的解空 间,即位于复数域左半平面内,总能找到一个反馈使得故A B fA B f B 障系统状态渐近稳定于标称系统状态的镇定器,此 时 B f 是稳定意义上可重构的.如果 A ¯22 至少有一个 rankC z0 = rankC z0 0(18)极点位于复数域右半平面,就不存在使故障系统状态渐近稳定于标称系统状态的镇定器,这时 B f 不具 有可重构性.同理,由于非奇异线性变换不改变系统的能控 能观特性,根据对偶性,传感器故障可作能观性结 构分解进行分析,也可对其对偶系统作能控性标准 结构分解;执行器和传感器故障并存时,作能控能 观性结构规范分解进行可重构性分析.分解时也可先把待分解的系统化为约旦标准 型,然后按约旦标准型的能控判别法则和能观判别 法则,判别各状态变量的能控性和能观性,最后按 能控能观、能控不能观、不能控能观、不能控不能观 四种类型分类排列,即可组成相应的子系统,进而 考察系统的可重构性.因此,以下假设有执行器故障的对象为则弱重构目标可以达到.3.3 基于强重构目标的可重构性条件两个主要方面必须考虑:输出轨迹 z f 的恢复和 重构控制回路的稳定性.z f = z将标称控制回路与重构控制回路进行比较可定义 重构问题如图 2.由于很难分析控制回路的可解性, 因此应用满足故障隐蔽目标的引理 1:若被重构对 象(故障对象加重构模块)的行为等于标称对象的 行为,则故障隐蔽目标满足,并且控制器的所有信 号不受故障影响.x ˙f = A x f + B f u f y f = Cx f , z f = C z x f (14)x f (0) = x 03.2 基于弱重构目标的可重构性条件对于常值干扰和输入,输出 z f 的稳态值要能恢 复到其标称值:lim (z (t ) z f (t )) = 0t →∞用在向量上方加上划线来标示该向量的静态 值,重写此条件:z ¯ = z ¯f显然弱重构目标的可解性由故障对象可能的平衡状态集和最终稳态输出决定.它们由 x ˙¯f = 0 定义,即0 = Ax ¯f + B f u ¯ f图 2 面向强重构目标的标称系统和故障系统 Fig.2 Nominal and faulty systems oriented to the strongreconfiguration goal为达到强重构目标,必须存在传递函数 H (s ), 满足 H (s ) 与故障对象 G f (s ) 串联后与标称对象 G (s ) 有相同的动力学行为特性这一条件:∃H (s ) : G (s ) = G f (s )H (s )G (s ) = C z (sII − A )−1 B ,G f (s ) = C z (sII − A )−1 B f因为这个 H (s ) 是所要求的重构模块,所以它也 必须是一个真有理矩阵传递函数.这里只考虑一个 z ¯f = C z x ¯f(15)必要条件:一个有理(但不一定真实)解 H (s ) 存在, 如果为进一步分析,假设系统在 0 处无相消零点:A rank (A ,B f ) = rankC z那么 z f 的解空间维数为A B f = n (16) ∀s : rank (G f (s )) = rank (G (s ), G f (s ))(19)稳定目标要求被重构对象 G f (s )H (s ) 是能镇定 的,对此给出几个必要条件.很明显 H (s ) 和 G f (s ) 必须能镇定;此外,G f (s ) 没有不存在于 G (s ) 中的不 稳定零点或极点,否则因为这些不稳定零极点将不 得不由 H (s ) 的不稳定极点和零点抵消,从而会导致 rankC z 0−n (17)出现隐藏的不稳定极点.i f f f f f f 3.4 基于直接重构目标的可重构性研究 首先给出控制量之间重构的一个必要条件. 定理 1 设控制量 u i (对应 B 的 b i 列)完全失 4 数值举例(Numerical example )执行器故障的二阶二入二出标称过程对象相关矩阵如下:效,u j 是用于重构的新控制量,则u i 可用 u j 进行广 义逆重构的条件是 b T b j ƒ= 0.0.25 0 1 −0.5i证明:若不满足 b T b j ƒ= 0,u i 与 u j 一定正交,被A = −0.25 −0.25, B = 0 0.5u i 控制的模态必不受 u j 控制,即 (A , b i ) 不完全能 控,u j 不能作为 u i 的控制冗余. 应用故障隐蔽目标引理 1,假设标称控制器的 1 0 C =0 1,C z = (0, 1)输出 u 和重构控制器的输出 u c 相等.若式 (9) 在此 假设下得到满足,标称对象状态和故障对象状态无 差别.因此,故障不影响控制器——相同的信号 y 或 y c 提供给标称和重构回路.由于相同的控制器用 于两种情形,控制器的输出 u 和 u c 也是相等的,开 始的假设因此成立,直接重构目标和故障隐蔽目标 第二个执行器失效,由下面的输入矩阵描述:1 0B f =0 0标称控制器由无状态的静态反馈阵给出,D c = diag (3, 10),即式 (2) 中的 A c , B c , C c 消失.故期望 同时得到满足.对式 (9) 求导得 的标称闭环极点为 −2.75 和 −5.75.考虑到调节时x ˙f = x ˙因此,满足此目标的充分必要条件是B f u f = B B u u (20)假设输入向量事先未知,一个对于所有输入都 成立的一般解必须能找到.引理 2 矩阵方程 SX = T 有解的充要条件是 间,D 稳定域选为 C D = [−1, −20],系统在此区间是 足够快的.此系统虽较简单,但可充分说明有关重构的相应效果并验证了已获得的重构条件.对系统能控能 观特性分析可知,它满足可重构性的稳定目标,可 由极点配置来镇定系统.应用秩条件式 (18) 得知系 统也能达到输出稳态值恢复的弱重构目标,可采用 零点配置重构方法消除稳态误差.对于强重构目标, 系统满足式 (19) 等必要条件,且该重构问题可解释 秩 rank (S ) = rank (S , T ).为图 2 中 u c 为干扰的扰动解耦问题.由线性方程组有解的充要条件推广,将 S 和 T 按列分块,易证引理 2.为节省篇幅起见,证略. 而 对 直 接 目 标 判 断 秩 条 件 得 rank (B f ) = 1, rank (B , B ) = 2,即 rank (B , B ) ƒ= rank (B ),不满足f f f 定理 2 直接目标下可重构性的几个等价条件 如下:(1) im (B ) ⊆ im (B f ), im (B ) = {B B u u |u ∈ R p }; (2) rank (B f , B ) = rank (B f ) = rank (B f B T ); (3) rank (B ) ™ rank (B f ) = rank (B T B f ); (4) rank (B ) = r ank (B f ).证明:由矩阵论可知,B f u f = B B u u 有解的充要条 件是条件 (1) 的列空间或象 im (B ) ⊆ im (B f );即 B 的 p 个列可以由 B f 的 p 个列向量组线性表示,由引 理 2 知 rank (B f ) = rank (B f , B ).又可知方程组 Sx = 0 与 (S T S )x = 0 同解,因此 rank (B T B f ) = rank (B f ) = rank (B T ),故有等价条件 (2)rank (B f , B ) = rank (B f ) = rank (B f B T );故有等价条件 (3)rank (B ) ™ rank (B f ) = rank (B T B f );因为 B f 是将 B 中的某一列或某些列 置零得到,有 rank (B ) “ rank (B f ),故得等价条件 (4) rank (B ) = rank (B f ).证毕.直接目标的可重构性条件,因此也就不能对该系统 进行基本伪逆法重构设计.5 结语(Conclusion )本文主要研究了线性控制系统的可重构性.首 先定义了 5 个重构目标,在故障隐蔽目标基础上, 按照由弱到强的程度针对其它各种目标给出了相应 的可重构性条件.数值举例应用这些条件进行了可 重构性分析的验证,为可重构系统综合设计提供重 要基础. 控制可重构性揭示了被控对象模型能够进行重 构控制设计的潜力和极限,应用可重构性条件便于 重构控制的分析与综合.重构问题的可解性依赖于 解析冗余的存在性.在精确的跟踪性能恢复重构条 件不能满足时,标称闭环控制系统性能如何以准最 优方式恢复的多目标优化重构是下一步需要研究的 主要问题.另一方面,为了给一般非线性系统的控制重构综合提供一定的设计依据,非线性控制系统的可重构性分析值得进一步探究.参考文献(References)[1] Richter J H, Weiland S, Heemels W P M H, et al. 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人工智能在OODA循环中的应用与展望
人工智能在OODA循环中的应用与展望摘要:OODA循环是指观察、定向、决策和行动的循环,是一种用于分析和解决问题的方法。
人工智能在OODA循环中的应用主要是在智能推演方面,通过对数据的分析和处理,帮助决策者更好地理解和预测未来的情况,从而做出更好的决策。
本文将介绍人工智能在OODA循环中的应用,并探讨其未来的发展方向。
关键词:OODA循环、人工智能、智能推演、数据分析、决策OODA循环是美国空军军事理论家约翰·博伦在20世纪50年代提出的一种分析和解决问题的方法。
它被广泛应用于军事、商业、政治等领域,被认为是一种高效的决策模型。
随着人工智能技术的不断发展,越来越多的人开始将其应用于OODA循环中,以帮助决策者更好地理解和预测未来的情况,从而做出更好的决策。
一、人工智能在OODA循环中的观察(Observe)阶段的应用分析(一)感知技术在数据收集中的应用感知技术,如传感器、摄像头等,可以收集环境中的各种数据,如温度、湿度、光线、声音等。
人工智能可以应用于感知技术中,通过图像识别、语音识别等技术,将感知到的数据转化为可理解和可处理的形式。
(二)数据分析和处理的自动化应用人工智能可以自动化进行数据分析和处理,通过机器学习和数据挖掘技术,从大量的数据中提取有用的信息和模式。
自动化的数据处理可以加快分析速度,减少人工错误,并发现隐藏在数据中的关联和趋势。
(三)模式识别和异常检测的应用人工智能在模式识别和异常检测方面有广泛应用,可以通过训练模型来识别特定的模式或异常情况。
模式识别可以帮助理解数据中的规律和趋势,为后续的定向和决策提供基础。
异常检测可以帮助发现数据中的异常情况,如故障、异常行为等,及时采取措施进行处理。
二、人工智能在OODA循环中的定向(Orient)阶段的应用(一)数据挖掘和知识发现的应用人工智能可以通过数据挖掘和知识发现技术,帮助在定向阶段收集和分析大量的数据和信息。
它可以自动化地从结构化和非结构化数据中提取有用的知识和洞察,并帮助决策者理解当前的情况和趋势。
D2D通信系统中节能功率控制算法
c o n v e r g e n c e i s d e s i g n e d. F i n a l l y , n u me r i c a l r e s u l t s v e r i f y t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e p r o po s e 2 9 . 5
DOI :1 0 . 1 1 9 9 9 / J EI Tl 6 0 5 5 3
文献标识码 : A
文章编号 :1 0 0 9 — 5 8 9 6 ( 2 0 1 7 ) 0 4 — 0 9 9 7 - 0 5
En e r g y — e ic f i e n t Po we r Co n t r o l Al g o r i t h m f o r D 2 D Co m m un i c a t i o n
A b s t r a c t : T o a d d r e s s t h e p o w e r c o n t r o l p r o b l e m f o r D e v i c e — t o — D e v i c e( D 2 D ) c o m m u n i c a t i o n i n a c e l l u l a r n e t w o r k t o i mp r o v e t h e c e l l u l a r E n e r g y E ic f i e n c y( E E ) , a w e i g h t e d c e l l u l a r E E p r o b l e m i s p r o p o s e d a n d i t i s s o l v e d b y u s i n g
课件--模型预测控制
h1
h1
h2
PM 1
hi
i1
PM
第三节 模型算法控制(MAC) 二. 反馈校正
以当前过程输出测量值与模型计算值之差修正模型预测值
yP (k j) ym (k j) jy(k) ym (k)
N
ym (k) hiu(k i) i 1
对于P步预测
j 1, 2, , P
YP (k) Ym (k) βe(k)
主要内容 预测模型 反馈校正 参考轨迹 滚动优化
第四节 动态矩阵控制(DMC) 一. 预测模型
DMC的预测模型
渐近稳定线性被控对象的单位阶跃响应曲线
和给定值的偏差来确定当前的控制输入 预测控制:不仅利用当前的和过去的偏差值,
而且还利用预测模型来预测过程未来的偏差值。 以滚动优化确定当前的最优控制策略,使未来 一段时间内被控变量与期望值偏差最小 从基本思想看,预测控制优于PID控制
第二节 预测控制的基本原理
r(k)
+_
d(k)
在线优化 控制器
u(k)
y(k) 受控过程
+ y(k+j| k)
+
模型输出 反馈校正
动态 预测模型
y(k|k)
_ +
三要素:预测模型 滚动优化 反馈校正
第二节 预测控制的基本原理 一.预测模型(内部模型)
预测模型的功能 根据被控对象的历史信息{ u(k - j), y(k - j) |
j≥1 }和未来输入{ u(k + j - 1) | j =1, …, m} ,预测 系统未来响应{ y(k + j) | j =1, …, p} 预测模型形式 参数模型:如微分方程、差分方程 非参数模型:如脉冲响应、阶跃响应
智能控制题库
智能控制题库一、填空题1.智能控制是一门新兴的学科,它具有非常广泛的应用领域,例如、、和。
1、交叉学科在机器人控制中的应用在过程控制中的应用飞行器控制2.传统控制包括和。
2、经典反应控制现代理论控制 3.一个理想的智能控制系统应具备的根本功能是、、和。
3 、学习功能适应功能自组织功能优化能力 4.智能控制中的三元论指的是:、和。
4、运筹学,人工智能,自动控制 5.近年来,进化论、、和等各门学科的开展给智能控制注入了巨大的活力,并由此产生了各种智能控制方法。
5、神经网络模糊数学专家系统6.智能控制方法比传统的控制方法更能适应对象的、和。
6、时变性非线性不确定性7.傅京逊首次提出智能控制的概念,并归纳出的3种类型智能控制系统是、和。
7、人作为控制器的控制系统、人机结合作为控制器的控制系统、无人参与的自主控制系统8、智能控制主要解决传统控制难以解决的复杂系统的控制问题,其研究的对象具备的3个特点为、和。
8、不确定性、高度的非线性、复杂的任务要求 9.智能控制系统的主要类型有、、、、和。
9、分级递阶控制系统,专家控制系统,神经控制系统,模糊控制系统,学习控制系统,集成或者〔复合〕混合控制系统10.智能控制的不确定性的模型包括两类:(1) ; (2) 。
10、(1)模型未知或知之甚少;(2)模型的结构和参数可能在很大范围内变化。
11.控制论的三要素是:信息、反应和控制。
12.建立一个实用的专家系统的步骤包括三个方面的设计,它们分别是、和。
知识库的设计推理机的设计人机接口的设计 13.专家系统的核心组成局部为和。
知识库、推理机14.专家系统中的知识库包括了3类知识,它们分别为、、和。
判断性规那么控制性规那么数据15.专家系统的推理机可采用的3种推理方式为推理、和推理。
15、正向推理、反向推理和双向推理 16.根据专家控制器在控制系统中的功能,其可分为和。
16、直接型专家控制器、间接型专家控制器17.普通集合可用函数表示,模糊集合可用函数表示。
几类不确定系统的二人零和微分博弈问题
几类不确定系统的二人零和微分博弈问题微分博弈理论是博弈论的重要分支之一,同时又是最优控制理论的一个重要拓展,是研究如何在一个多人参与的动态系统中如何决策从而最大化各自收益的理论。
而二人零和微分博弈是其中一个重要的研究领域,具有深刻的理论价值和广阔的应用价值。
此外,现实中系统的运行会受到很多种噪声的干扰,当这些噪声是主观不确定性时,或者噪声缺乏足够的统计数据时,使用概率统计工具来描述这些噪声就会产生很大的谬误。
因此,我们考虑使用不确定理论来刻画这一类系统噪声,从而系统的动态连续变化被描述为一个不确定微分方程。
本论文针对这样的不确定系统,在已有的微分博弈以及不确定最优控制研究基础上,研究了几类不确定系统的二人零和微分博弈问题。
本论文的主要研究内容如下:研究了乐观值准则下的连续型不确定系统的二人零和微分博弈,在值函数二次可微的条件下推导出了均衡方程。
研究了一维情形的线性二次型不确定二人零和微分博弈,证明了其鞍点均衡解与一个Riccati微分方程解相对应。
研究了连续型不确定线性系统的微分博弈问题,证明了其鞍点均衡解的bang-bang性质。
研究了连续型多因素不确定系统的最优控制问题,从而进一步讨论了针对该系统的二人零和博弈模型,得到了均衡方程。
研究了采用非预期策略的二人零和博弈,证明了 Elliott-Kalton值函数的连续性,利用粘性解理论建立了均衡方程与该值函数的联系。
研究了离散系统的不确定二人零和动态博弈问题,使用动态规划方法得到了递推方程,同时针对无法求出解析解的一般情形,设计了一个融合了人工神经网络,不确定模拟以及帝国竞争算法的混合智能优化算法来求解问题。
将不确定二人零和博弈应用到了反恐经济、消耗与攻击战、双寡头博弈、投资组合博弈等实际问题中。
自适应两阶段分组求解大规模全局优化问题
自适应两阶段分组求解大规模全局优化问题
贾欣;王宇嘉;聂方鑫;孙福禄
【期刊名称】《小型微型计算机系统》
【年(卷),期】2023(44)1
【摘要】协同进化是解决大规模全局优化问题的一种有效策略,但是该策略不能对存在相关性变量的大规模问题进行有效分组,最终导致算法性能下降.针对上述问题,提出一种基于自适应两阶段分组的差分协同进化算法.首先,在第1阶段分组中,根据决策变量贡献度,将其分为正促进组和负抑制组;然后,在第2阶段分组中,分别对两组内的变量进行相关性识别,根据相关变量所占比例进行自适应分组;最后,采用差分协同进化算法对分组后的组件进行优化.实验结果表明本文所提方法能够实现对大规模全局优化问题中相关变量的有效分组,提高了算法的收敛性,通过标准大规模优化测试函数集验证了算法的有效性和适用性.
【总页数】10页(P14-23)
【作者】贾欣;王宇嘉;聂方鑫;孙福禄
【作者单位】上海工程技术大学电子电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP301
【相关文献】
1.求解全局优化问题的两阶段模式搜索算法
2.改进自适应微分进化算法求解全局优化问题
3.求解大规模优化问题的可全局收敛蝙蝠算法
4.基于决策变量分组的粒子
群算法求解大规模优化问题5.求解昂贵黑箱全局优化问题的自适应采样组合响应面方法
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A large class of complicated practical systems are controlled by more than one controller or decision maker with each using an individual strategy. These controllers often operate in a group with a general performance index function as a game[1] . Zero-sum game theory has been widely applied to decision making and control engineering problems[2−5] . In these situations, many control schemes are presented in order to reach some form of optimality[6−7] . In [8], zero-sum game was proposed to solve multiuser optimal flow control. In [9], the zero-sum game problem was discussed for noncooperative decision makers. Based on the zero-sum theory, the designs of controller in the worst case and the design of H∞ controller were proposed in [10 − 12]. However, aforementioned results on zero-sum game are only for the one-dimensional systems. In the real world, many complicated control systems are described by 2-dimensional (2-D) structures[13−14] . The key feature of a 2-D system is that the information is propagated along two independent directions. Many physical processes, such as thermal processes, image processing, signal filtering, etc., have a clear 2-D structure. The 2-D system theory is frequently used as an analysis tool to solve some problems, e.g., iterative learning control[15] and repetitive process control[16] . So many control schemes are presented for 2-D system in order to obtain the optimal performance[17−18] , while there are few results on the zero-sum games for 2-D systems. The great difficulty of the zero-sum games for 2-D systems is that the optimal recurrent equation, so called Hamilton-JacobiIsaacs (HJI) equation, is invalid in 2-D structure, which means that the optimal control pair cannot be obtained by the classical dynamic programming theory. Another difficulty lies in the fact that for many 2-D systems the model of the system cannot be obtained inherently. So it is important and necessary to give a new method to solve the zero-sum games for 2-D system without a system model. This motivates our research. The adaptive critic designs (ACDs) are very useful tools in solving the optimal control problems and have received
considerable attention for the past three decades[19−22] . ACDs were firstly proposed in [23 − 25] as a way to solve optimal control problems forward-in-time. ACDs combine reinforcement learning technique and dynamic programming theory with neural networks. In [13], the ACDs were classified into four main schemes: heuristic dynamic programming (HDP), dual heuristic dynamic programming (DHP), action dependent heuristic dynamic programming (ADHDP), also known as Q-learning[23] , and action dependent dual heuristic dynamic programming (ADDHP). In [26], another two ACD schemes known as gd ADGDHP were developed. Though in recent years, ACDs have been further studied by many researchers such as [27 − 35], wherein most results focus on the optimal control problem with a single controller. Only in [36], based on HJI equation, zero-sum game was discussed for 1-D system. To the best of our knowledge, there are no results discussing how to solve the zero-sum game problem for 2-D systems. In brief, it is the first time for the zero-sum game to solve for a 2-D system by ACD technique. The main contributions of this paper include: 1) Propose a new optimality principle for Roesser type 2-D system and obtain the optimal control formulation in theory. 2) Propose an iterative algorithm based on ACD technique (iterative ACD algorithm for brief) to obtain the optimal control pair iteratively with rigorous stability and convergence analysis. 3) Develop the iterative ACD algorithm into data-driven situation. What is needed to know is only the input and state data, and the model of the system is not required. This paper is organized as follows. Section 1 presents the preliminaries and assumptions. In Section 2, the optimal control for zero-sum games for 2-D systems is proposed and the properties of the optimal control are also discussed. In Section 3, data-based iterative ACD algorithm is proposed with the convergence analysis. In Section 4, the neural network implementation for the control scheme is discussed. In Section 5, an example is given to demonstrate the effectiveness of the proposed control scheme. The conclusion is drawn in Section 6.
WEI Qing-Lai1 ZHANG Hua-Guang2 CUI Li-Li2