Deep reinforcement learning and population dynamics for water systems control

"We study the control of water-tank systems with linear and nonlinear coupled dynamics. As a way to alleviate the design difficulties and avoid modeling simplifications, we design centralized and decentralized deep reinforcement learning (RL) strategies to control interconnected linear and nonl...

Full description

Autores:
Ochoa Tamayo, Daniel Esteban
Tipo de recurso:
Fecha de publicación:
2019
Institución:
Universidad de los Andes
Repositorio:
Séneca: repositorio Uniandes
Idioma:
eng
OAI Identifier:
oai:repositorio.uniandes.edu.co:1992/44007
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/1992/44007
Palabra clave:
Sistemas de control - Aplicaciones industriales - Investigaciones
Canales (Ingeniería hidráulica) - Control - Investigaciones
Aprendizaje por refuerzo (Aprendizaje automático) - Aplicaciones - Investigaciones
Ingeniería
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description "We study the control of water-tank systems with linear and nonlinear coupled dynamics. As a way to alleviate the design difficulties and avoid modeling simplifications, we design centralized and decentralized deep reinforcement learning (RL) strategies to control interconnected linear and nonlinear water-tank systems relevant for industrial process control. For the linear variant, we propose a hierarchical control strategy to solve the optimal drainage problem in open-channel systems by combining an optimization technique known as minimum scaled consensus control (MSCC) with the deep deterministic policy gradient (DDPG) algorithm. On the other case, for the nonlinear dynamics we use actor-critic structures for the DDPG and the proximal policy optimization (PPO) algorithm and propose a variant called the multi-critic architecture, which allows the addition of prior knowledge on dominant input-output couplings of multi-input multi-output systems. The proposed approaches for the linear and nonlinear cases show comparable performance with classical control techniques while being completely model independent. Finally, we study the problem of robust resource allocation with momentum using dynamical systems. We propose a class of time-varying differential equations with momentum that achieve acceleration and preserve most of the asymptotic properties of its time-invariant counterpart. Since time-varying dynamics with momentum in continuous-time usually lack of structural robustness properties, we present a hybrid regularization that induces the property of uniform asymptotic stability in the system. We show this by using the invariance principle for well-posed hybrid dynamical systems, and we establish the existence of strictly positive margins of robustness with respect to arbitrarily small disturbances. We illustrate our results via numerical simulations."--Tomado del Formato de Documento de Grado.
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For the linear variant, we propose a hierarchical control strategy to solve the optimal drainage problem in open-channel systems by combining an optimization technique known as minimum scaled consensus control (MSCC) with the deep deterministic policy gradient (DDPG) algorithm. On the other case, for the nonlinear dynamics we use actor-critic structures for the DDPG and the proximal policy optimization (PPO) algorithm and propose a variant called the multi-critic architecture, which allows the addition of prior knowledge on dominant input-output couplings of multi-input multi-output systems. The proposed approaches for the linear and nonlinear cases show comparable performance with classical control techniques while being completely model independent. Finally, we study the problem of robust resource allocation with momentum using dynamical systems. We propose a class of time-varying differential equations with momentum that achieve acceleration and preserve most of the asymptotic properties of its time-invariant counterpart. Since time-varying dynamics with momentum in continuous-time usually lack of structural robustness properties, we present a hybrid regularization that induces the property of uniform asymptotic stability in the system. We show this by using the invariance principle for well-posed hybrid dynamical systems, and we establish the existence of strictly positive margins of robustness with respect to arbitrarily small disturbances. We illustrate our results via numerical simulations."--Tomado del Formato de Documento de Grado."Estudiamos el control de sistemas de agua con dinámicas lineales y no lineales. Como una forma de aliviar las dificultades de diseño y evitar las simplificaciones en el modelado, diseñamos estrategias centralizadas y descentralizadas de aprendizaje por refuerzo (RL) profundo para el control de de sistemas interconectados de tanques de agua con dinámicas lineales y no lineales, relevantes para el control de procesos industriales. Para la variante lineal, proponemos una estrategia de control jerárquico que resuelve el problema de drenaje óptimo en sistemas de canal abierto combinando una técnica de optimización conocida como minimum scaled consensus control (MSCC) con el algoritmo de deep deterministic policy gradients (DDPG). En el otro caso, para las dinámicas no lineales utilizamos estructuras de actor-crítico con el algoritmo DDPG y el algoritmo de proximal policy optimization (PPO) en adición de proponer una variante con el nombre de arquitectura multi-crítica. Los esquemas propuestos muestran un rendimiento comparable con las técnicas de control clásicas aún sin la inclusión explícita de un modelo del sistema. Finalmente, estudiamos el problema de la asignación robusta de recursos con momentum usando sistemas dinámicos. Proponemos una clase de ecuaciones diferenciales con momentum y variantes en el tiempo que logran aceleración y preservan la mayoría de las propiedades asintóticas de su contraparte invariante en el tiempo. Ya que las dinámicas variantes en el tiempo con momento usualmente no poseen propiedades de robustez estructural, presentamos un mecanismo de regularización híbrida que induce la propiedad de estabilidad asintótica uniforme en el sistema dinámico. Mostramos esto usando el principio de invariancia para sistemas dinámicos híbridos well-posed, y establecemos la existencia de márgenes de robustez estrictamente positivos con respecto a perturbaciones arbitrariamente pequeñas. Ilustramos nuestros resultados mediante simulaciones numéricas."--Tomado del Formato de Documento de Grado.Magíster en Ingeniería Electrónica y de ComputadoresMaestría62 hojasapplication/pdfengUniandesMaestría en Ingeniería Electrónica y de ComputadoresFacultad de IngenieríaDepartamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónicainstname:Universidad de los Andesreponame:Repositorio Institucional SénecaDeep reinforcement learning and population dynamics for water systems controlTrabajo de grado - Maestríainfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85Texthttp://purl.org/redcol/resource_type/TMSistemas de control - Aplicaciones industriales - InvestigacionesCanales (Ingeniería hidráulica) - Control - InvestigacionesAprendizaje por refuerzo (Aprendizaje automático) - Aplicaciones - InvestigacionesIngenieríaPublicationhttps://scholar.google.es/citations?user=xu0jdYAAAAAJvirtual::5323-10000-0002-8688-3195virtual::5323-1https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000849669virtual::5323-1698e35fc-6e9e-4c84-8960-ae30da9bc64avirtual::5323-1698e35fc-6e9e-4c84-8960-ae30da9bc64avirtual::5323-1THUMBNAILu827241.pdf.jpgu827241.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg10308https://repositorio.uniandes.edu.co/bitstreams/3f15e6f4-31b6-467b-a446-04f30a1e105b/downloada301f198fb225bdb2b23d8e51958d6b6MD55TEXTu827241.pdf.txtu827241.pdf.txtExtracted texttext/plain98823https://repositorio.uniandes.edu.co/bitstreams/bcb1e80b-94e1-4732-a892-73af3749a352/download94730cacc8986f9cf5c2b07d35d9c6ecMD54ORIGINALu827241.pdfapplication/pdf2961259https://repositorio.uniandes.edu.co/bitstreams/aeaf128e-7f58-496b-94d4-1a8e148c996b/download451f15ab2c5603bb4b6ac914d406bedaMD511992/44007oai:repositorio.uniandes.edu.co:1992/440072024-03-13 12:54:51.343https://repositorio.uniandes.edu.co/static/pdf/aceptacion_uso_es.pdfopen.accesshttps://repositorio.uniandes.edu.coRepositorio institucional Sénecaadminrepositorio@uniandes.edu.co