Aprendizaje de máquina aplicado al control

El objetivo de este trabajo es emular la acción de un controlador utilizando modelos de inteligencia artificial (IA). Para ello, se empleó como planta un sistema de segundo orden que describe la temperatura en un cuarto. Sobre dicha planta, se diseña un controlador predictivo basado en modelo (MPC,...

Full description

Autores:
Tipo de recurso:
Fecha de publicación:
2023
Institución:
Universidad del Rosario
Repositorio:
Repositorio EdocUR - U. Rosario
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repository.urosario.edu.co:10336/38270
Acceso en línea:
https://doi.org/10.48713/10336_38270
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Palabra clave:
Machine learning
Teoria de control
Aprendizaje automático
Control
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License
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description El objetivo de este trabajo es emular la acción de un controlador utilizando modelos de inteligencia artificial (IA). Para ello, se empleó como planta un sistema de segundo orden que describe la temperatura en un cuarto. Sobre dicha planta, se diseña un controlador predictivo basado en modelo (MPC, por sus siglas en inglés) como referencia para entrenar los algoritmos de IA. MPC es un método que utiliza modelos matemáticos para predecir el comportamiento futuro del sistema y tomar acciones de control óptimas en función de ciertos objetivos preestablecidos. La emulación del controlador puede plantearse como un problema de regresión, por lo tanto se emplearon tres de los modelos más populares de IA para efectuar regresiones: regresión lineal, vectores de soporte y redes neuronales. Para el entrenamiento de los modelos de IA, se utilizó una base de datos generada al simular el comportamiento del controlador MPC sobre la planta de temperatura. Se realizaron diferentes pruebas para evaluar el desempeño de los modelos de IA comparándolos con el controlador MPC. Los resultados mostraron que los modelos de IA pueden ser utilizados con éxito para emular dicho controlador con la ventaja de tener un menor costo computacional. En este sentido, cabe resaltar que MPC necesita resolver iterativamente un problema de optimización, mientras que los algoritmos de IA usados sólo requieren evaluar cierta función (que se obtiene al entrenar los modelos) en cada iteración de control. En conclusión, esta investigación es un primer paso exitoso en un camino prometedor: el uso de IA para el control de procesos dinámicos.
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La emulación del controlador puede plantearse como un problema de regresión, por lo tanto se emplearon tres de los modelos más populares de IA para efectuar regresiones: regresión lineal, vectores de soporte y redes neuronales. Para el entrenamiento de los modelos de IA, se utilizó una base de datos generada al simular el comportamiento del controlador MPC sobre la planta de temperatura. Se realizaron diferentes pruebas para evaluar el desempeño de los modelos de IA comparándolos con el controlador MPC. Los resultados mostraron que los modelos de IA pueden ser utilizados con éxito para emular dicho controlador con la ventaja de tener un menor costo computacional. En este sentido, cabe resaltar que MPC necesita resolver iterativamente un problema de optimización, mientras que los algoritmos de IA usados sólo requieren evaluar cierta función (que se obtiene al entrenar los modelos) en cada iteración de control. En conclusión, esta investigación es un primer paso exitoso en un camino prometedor: el uso de IA para el control de procesos dinámicos.The objective of this work is to emulate the action of a controller using artificial intelligence (AI) models. For this purpose, a second-order system that describes the temperature in a room was employed as the plant. On this plant, a model-based predictive controller (MPC) was designed as a reference to train the AI algorithms. MPC is a method that uses mathematical models to predict the future behavior of the system and take optimal control actions based on certain pre-established objectives. The emulation of the controller can be formulated as a regression problem, therefore, three of the most popular AI models were used for regression: linear regression, support vectors, and neural networks. To train the AI models, a database generated by simulating the behavior of the MPC controller on the temperature plant was used. Different tests were carried out to evaluate the performance of the AI models, comparing them with the MPC controller. The results showed that AI models can be successfully used to emulate the controller with the advantage of having lower computational costs. In this sense, it is worth noting that MPC needs to iteratively solve an optimization problem, while the AI algorithms used only require evaluating a certain function (which is obtained by training the models) at each control iteration. In conclusion, this research is a successful first step in a promising path: the use of AI for the control of dynamic processes.39 ppapplication/pdfhttps://doi.org/10.48713/10336_38270 https://repository.urosario.edu.co/handle/10336/38270spaUniversidad del RosarioEscuela de Ingeniería, Ciencia y TecnologíaPrograma de Matemáticas Aplicadas y Ciencias de la Computación - MACCAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 InternationalAbierto (Texto Completo)http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/http://purl.org/coar/access_right/c_abf2A. Bensoussan. Estimation and control of dynamical systems, volume 48. Springer, 2018.F. Borrelli, A. Bemporad, and M. Morari. Predictive control for linear and hybrid systems. Cambridge University Press, 2017.E. F. Camacho and C. B. Alba. Model predictive control. Springer science & business media, 2013.N. Castle. Supervised vs. unsupervised machine learning. Retrieved from, 2017.N. Castle. What is semi-supervised learning. Oracle DataScience. Com, 2018.B. Chang, L. Meng, E. Haber, L. Ruthotto, D. Begert, and E. Holtham. Reversible architectures for arbitrarily deep residual neural networks. In Proceedings of the AAAI conference on artificial intelligence, volume 32, 2018.B. Chang, L. Meng, E. Haber, F. Tung, and D. Begert. Multi-level residual networks from dynamical systems view. arXiv preprint arXiv:1710.10348, 2017.R. T. Chen, Y. Rubanova, J. Bettencourt, and D. K. Duvenaud. Neural ordinary differential equations. Advances in neural information processing systems, 31, 2018.H. J. Ferreau, S. Almér, H. Peyrl, J. L. Jerez, and A. Domahidi. Survey of industrial applications of embedded model predictive control. In 2016 European Control Conference (ECC), pages 601–601. IEEE, 2016.J. Jobson and J. Jobson. Multiple linear regression. Applied multivariate data analysis: Regression and experimental design, pages 219–398, 1991.M. I. Jordan and T. M. Mitchell. Machine learning: Trends, perspectives, and prospects. 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A tour of reinforcement learning: The view from continuous control. Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems, 2:253–279, 2019.R. Rojas. Neural networks: a systematic introduction. Springer Science & Business Media, 2013.A. E. Sallab, M. Abdou, E. Perot, and S. Yogamani. Deep reinforcement learning framework for autonomous driving. arXiv preprint arXiv:1704.02532, 2017.P. O. Scokaert, D. Q. Mayne, and J. B. Rawlings. Suboptimal model predictive control (feasibility implies stability). IEEE Transactions on Automatic Control, 44(3):648–654, 1999.D. Silver, T. Hubert, J. Schrittwieser, I. Antonoglou, M. Lai, A. Guez, M. Lanctot, L. Sifre, D. Kumaran, T. Graepel, et al. Mastering chess and shogi by self-play with a general reinforcement learning algorithm. arXiv preprint ar- Xiv:1712.01815, 2017.R. S. Sutton and A. G. Barto. Reinforcement learning: An introduction. MIT press, 2018.V. Vapnik. Estimation of dependences based on empirical data. 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