Elektrik Mühendisliği · Sayı 395 · 1995 / 3
SÜREÇ DENETİMİNDE SİHİRLİ BİR KUTU:SİNİRSEL AĞLAR
Kontrol, otomasyon ve robotik Teknik / bilimsel makale
- Yıl
- 1995
- Sayfa
- 5
- Okuma süresi
- 7 dk
- Görüntülenme
- 0
Konu
İlgili: Bilgisayar, yazılım ve internet
Anahtar kelimeler
- sinirsel ağlar
- süreç denetimi
- evrik denetim
- gözetmenli denetim
- uyarlamalı denetim
- yapay nöron ağları
Özet
Yazıda sinirsel ağların süreç denetiminde kullanımı gözetmenli denetim, evrik denetim, ileri kuruluş devingenliğine dayalı denetim ve uyarlanan denetim başlıkları altında teknik olarak incelenmektedir.
Tam metin
Metin PDF'ten otomatik çıkarılmıştır; tablo, şekil ve formüller eksik ya da hatalı olabilir. Özgün dizgi için PDF'e bakın.
1. GİRİŞ
Bir büyüklük yada koşulun
SÜREÇ DENETİMİNDE istenen değerde insan aracılığı olmadan tutulması olan süreç
denetim 1775 yılında VVatt'ın
SİHİRLİ BİR KUTU: buhar makinasındaki düzenleyici ile başlamıştır. İnsanoğlunun
daha iyiyi arayışı içinde klasik
SİNİRSEL AĞLAR anlamda denetim dizgeleri
yetersiz kalmaya başlamıştır.
Artık denetleçlerin tekrarlanan
işleri yapmaları yetmemektedir,
uyarla malı denetleçler değişen
işletme koşullarına uyum
sağlamakta yada belli bir
miktarda değişen süreç para
metrelerini uyarlamaktadırlar. Şu
anda araştırmacılar otomobil
kullanan denetleçlerin peşinde
dir, treylerli kamyonları park
edebilen (bilgisayar benzetim
olsa bile) denetleçler vardır.
et: Bu makalede, sinirsel ağların süreç denetiminde ne şekilde Buna benzer denetim istekleri
kullanılabileceği incelenmiştir. Sinirsel ağların süreç denetiminde kullanımları temel olarak dört grupta toplanarak bunlar; gözetmenli denetim, evrik denetim, ileri kuruluş devirgenliğine dayalı denetim ve
karşısında denetim dünyası gözünü insanoğlunun yeni bir özelliğine dikmiştir: Öğrenme.
uyarlanan denetim başlıkları altında incelenmiştir.
Bu özellik treyler park etme
örneği ile açıklanabilir: Treyler
park etme, aslında insanların bile
_____________ deneyim kazanmak için çok
çalışmalarını gerektiren bir
olaydır. Burada önemli olan
treyler istenen bir noktada ve
boşaltma platformuna dik olarak
park etmektedir. Sinirsel ağa
treylerin konumu ve direksiyon
açısı öğretildiğinde sinirsel ağ
treyleri doğru bir şekilde hemen
hemen bütün konumlarda park
edebilmektedir.
Bu yazıda sinirsel ağların N. Burçak Beşer öğrenebilen denetim dizgele rinden olarak süreç denetiminde
J AA I OO
uzman ustalığını sinirsel ağa öğret
l
devingenliğini öğrenen dizge ile aynı olur. Burada önemli olan nokta sürecin girdi çıktı devin genliğinin durağan yada yavaş değişen bir yapıda olmasıdır. Başarılı bir denetim için öğrenen dizgeler geçmiş bilgileri kapsamlı bir şekilde kullanıp süreç devingenliğini yavaş yavaş öğrenmelidir.
3. SİNİRSEL AĞLAR
Şekil 1. Gozetmenli Denetim
Sinirsel ağlar beynin biyolojik
yapısının taklid edilmesi ile
nasıl bir rol oynamaya hazırlan dıkları ve şu anda genel olarak kullanılma yapıları verilecektir.
2. NEDEN SİNİRSEL AĞLAR?
Sinirsel ağların giderek daha fazla ilgi çekmeleri öğrenen dizgelerin uyarlamalı dizgelerle
doğrusallaştırılmış devingenlik öylesine hızlı değişir ki uyarlanan dizge istenen değer ölçütüne hiçbir zaman ulaşamaz. Bu durum genellikle uyarlamalı denetlecin yapısının sürecin yapısına uymadığı zamanlarda görülür.
ortaya çıkmışlardır. İnsan bey ninin taklit edilmesini gerektiren birçok özellik vardır: Paralel bilgi işleme, öğrenme ve kendini düzenleme. Aynı doğal sinirsel ağların nöronlardan oluştuğu gibi sinirsel ağlarda doğrusal yada doğrusal olmayan nöron model lerinin birleşmesinden oluşur. Bu
karşılaştırılması ile açıklanabilir. Öğrenebilen dizgeler büyük Eğer bir denetleç herbir çalışma sayıda değişkeni bütün çalışma noktasını yepyeni bir durum alanında sürecin yapısını özüm olarak değerlendiriyorsa uyarla semek için ayarlarlar. Bu sayede malı denetleçtir. Eğer bir herbir çalışma noktasındasürecin denetleç daha önceki deneyim ^
modellerin bir arada işletilmesi paralel bilgi işlemeyi sağlar; kendini düzenleme ve öğrenme ise beyinden alınan özelliklerdir.
Sinirsel ağlar istenen değer ile
lerini ve denetim haraketlerini
ilişkilendirip bu ilişkileri daha sonra anımsayıp kullanabiliyorsa öğrenen dizgedir.
Uyarlanan denetleç az sayıda ki değişkeni ayarlarlar, bu ayarla mayı yapjarken de sürecin o anda doğrusal bir yerel yapısı oldu ğunu kabul ederler. Etkili olmaları için uyarlanan denet leçler hızlı bir devingenliğe sahip olmalıdır. Bu hızlı devingenlik sayesinde sürecin değişen davranışlarına uygunluk göste rebilirler. Ama bazı süreçlerde
\ )
(ü;
v Hatal \
\
Şekil 2a Evrik Denetim; Doğrudan Öğrenme
4. SİNİRSEL AĞ KULLANAN DENETLEÇLER
Sinirsel Ağ F
\k
Sinirsel ağların süreç deneti minde kullanılmaları temel olarak dört gruba ayrılabilir: Gözetmenli denetim, evrik denetim, ileri kuru luş devingenliğine dayalı denetim
Hata 2
ve uyarlanan denetim.
y1
4.a. Gözetmenli Denetim Gözetmenli denetimde sinirsel ağ
Şekil 3. İleri Kuruluş Devingenliğini Kullanan Denetleç
girdileri ile çıktıları arasındaki ilişkiyi daha önceden hazırlanmış
olan eğitim kümesini çalışarak
JJğrenir. Bu sayede sinirsel ağ
çıktılarının farkını kullanarak sinirsel ağlar sihirli bir kutu uzman gözetiminde yapılan
bağlantı yapılarını değiştirirler. olmaktan öteye gidememişlerdir. denetimi eğitim kümesi olarak, Bu değiştirme verilen bir girdi Sinirsel ağların süreç dene alarak uzmanın ustalığına sahip
karşısında sinirsel ağın çıktısı ile timinde en çok kullanılan metodu olur (1,2) bu durum şekilde
bu girdi karşısında istenen değer olan hatanın geri yayılımı mate verilmiştir. Bu yöntemle bir robot
arasındaki farkın (hatanın) sinir matik olarak kanıtlanmamış bir kolu insan denetimi altında iken sel ağa geri yayılımı (beslen yöntemdir. Yine de uygulamada elde edilen denetim imi sinirsel
mesi) ile olur. Sinirsel ağlar süreç yüzde doksan gibi büyük bir ağa öğretilir ve daha sonra insan
denetimde girdiler ile istenen başarı yüzdesine sahiptirler.
yardımı olmadan robot kol aynı
çıktılardan meydana gelen bir
eğitim kümesi verilerek sinirsel ağın bu girdi ve çıktı kümesi arasındaki ilişkiyi öğrenmesi ile gerçekleşir. Daha sonra verilen bir girdi öğretilen ilişkiye ait bir
>
F S Ö r e Ç 1
I'
f Hata 2
^T)
»
çıktı üretir.
Şekil 2.b Evrik Denetim
Bu özellikleri ile sinirsel ağlar süreç denetim mühendislerinin ilgisini çekmiştir. 1989 yılında Amerikan Denetleç konferan sında sinirsel ağlarla ilgili beş bildiri varken bu sayı 1990 yılınde 18'e yükselmiş ve bir sonraki yılda ise iki mislinden fazla artmıştır.
Sinirsel Ağ 1 F1
Sinirsel Ağ 2 F
Hata 2 Süreç
Bütün bu özelliklerine karşın
2 cE v r i k Denetim; Doğrudan öğrenme
I OO
denetim ilkeleri altında denet istenen çıktıya eşit olmalıdır. Bu
lenebilir.
denetim şeklinde en büyük sorun
öğrenme sırasında istenen çıktı
4.b. Evrik Denetim
(x) ile süreç çıktısı arasındaki
evrik süreci öğretmek yerine ikinci bir sinirsel ağ sürecin ileri kuruluş devingenliğini öğrenir. Birinci sinirsel ağ süreç (y) ile ileri
Referans Modeli
Hata 3 Sinirsel Ağ 2
Sinirsel Ağ 1
Hata 3
Denetleç Parametreleri
Hatal
Denetleç
Şekil 4. Uyarlanan denetim
hata (Hata 2) yerine evrik Evrik denetimde sinirsel ağ evrik süreçlerin girdileri (u ve u) kuruluş devingenliğini öğrenir, bu arasındaki hatanın (Hata 1) öğrenme doğrudan yada dolaylı öğretimde kullanılmasıdır, bu oabilir. Doğrudan öğrenmede sayede eğer süreç devingenliği sinirsel ağ öğrenilecek sürecin değişirse yanlış hata eğitimde evrik devingenliğini sürecin giriş kullanıldığından (ki bu durumda çıkış davranışından öğrenir (şekil doğrudan öğrenme ve evrik 2.a.), öğrenme döneminde süreç denetim beraberce kullanılır) bir başka denetleç tarafından sinirsel ağ en kolay yolu seçer ve sürüklür (3). Denetim ise sinirsel verilen istenen çıktıların hepsi ağın doğrudan sürece bağlanması için aynı süreç girdisini verir, bu ile gerçekleşir (şekil 2.b.), sinirsel değer Hata 1'i sıfır'a indirge ağa istenen çıktı değer verilir (x) diğinde dahi gerçek hata (Hata 2) sinirsel ağ sürecin evrik devin büyük değerlere ulaşabilir. genliğine sahip olduğundan sinirsel ağ çıktısı (u) sürece Dolaylı eğitim gerçek hatanın verildiğinde alınan süreç çıktısı (y) (Hata 2) eğitimde kullanılması ile gerçekleşir (3). Burada doğrudan
kuruluş devingenliğini kullanan sinirsel ağın çıktısı (y) arasındaki hatanın tersine yayılımı ile eğitilir. Bu yöntemde gerçek hata (Hata 2) eğitimde kullanıl dığından doğrudan eğitimde karşılaşılan sorunlarla karşıla şılmaz. Yine de evrik denetimin genel sorunu olan, istenen çıktının ilk adımda erişilmez olduğunda, denetimin yanlış ve tahmin edilmez olması sorunu vardır (4).
4.c. İleri Kuruluş Devingenliğine Dayalı Denetim ileri kuruluş devingenliğine daya
lı denetim; dolaylı eğitimi kullanan evrik denetimde ve birinci sinirsel ağın kaldırılması ve süreç girdi sinin (u) gerçek hatanın (Hata 2) tersine yayılımı ile hesaplan masıdır (4,5,). Burada yukarıda belirtilen sorun tersine yayılımda sürecin daha sonraki çıktılarının hesaplanması ile giderilmiştir (7).
4.d. Uyarlanan Denetim
olmuşlardır.
Sinirsel denetim dizgeleri doğru sal olmayan denetim alanında bazı olumlu sonuçlar elde etmişlerse de daha çok yeni olan bu alanda birçok çalışma nın gerektiği açıktır. Sinirsel denetim sistemlerinin denetim de büyük bir rol oynayacağını söyleyebiliriz.
neural netvvork controller, IEEE Control System Magazine, s17 20, 1988 (4) N.B. Beşer, E. Tulunay, Neurocontrol using forward plant dnamics, ISCIS V, 1989 (5) N.B. Beşer, Neurocontroller for process control using forvvard plant
Uyarlanan denetimde sinirsel ağ klasik denetleçlerin paramet relerinin ayarlanmasında kullanılır (8). Bu yöntemde sinirsel ağ sistem devingenliğini tanımla mada ve sürecin ileri çıktılarının hesaplanmasında kullanılır. İkinci bir sinirsel ağ ise bu çıktıları azaltmak için klasik denetleç parametrelerini ayarlar. Bu sinir sel ağ ise verilen bir referans modeli ile süreç arasındaki hatayı (Hata 3) kullanarak eğitilir.
5. SONUÇ
Günümüzün daima artan denetim istekleri karşısında uyarlamalı denetim dizgeleri yüksek çözünürlüklü doğrusal modeller üretmekte yavaş kalmaya başlamıştır. Doğanın doğrusal olmayan yapısında uyarlamalı denetim dizgelerinin sabit yapıların değişkenlerini ayarla yarak istenen . hassasiyeti sağlıyamamasından doğan bu yavaşlık denetim mühendislerini yeni ve sabit bir yapı gerek tirmeyen denetleçler aramaya sevketmiştir. Sinirsel ağlar sabit yapıya gerek duymamaları ve öğrenme özellikleri ile aday
KAY NAKLAR
(1) E. Tulunay, N.B. Beşer,
S. İkeda,
Expert
knowledge base
constructor for fuzz linguistic
controller based on neural
netvvorks, Internal Report,
November 1989.
(2) H.Asada, S.Liu, Transfer of human skills to neural net robot controllers, Proc. R&A, S2442 2448, 1991.
(3) D. Psaltis, A. Sideris, A. A. amamura, A multilayered
dynamics, Masters Thesis, Februar 1991.
(6) D.A. Hoskins, J.N. Nwang, J. Vagners, Iterative inversion of neural netvvorks and application to adaptive control, IEEE Transactions on Neural Netvvorks, Vol.3, No:2, March 1992.
(7) N.Narendra, K. Parthasarathy, Identification and control of dynamical systems using neural netvvorks, IEEE Transactions on neural netvvorks Vol.1 No:1,s4 27, 1990.