Doświadczenia z doborem parametrów obserwatora przy wy- wy-korzystaniu algorytmów genetycznych

W celu sprawdzenia działania rozpatrywanego algorytmu genetycznego wielokrotnie przeprowadzono dobór parametrów dla różnego typu obserwatorów, metodą prób i błędów dobierając odpowiednie parametry algorytmu i współczynniki kary funkcji celu. W rozdziale tym przedstawiono wybrane wyniki uzyskane dla obserwatora pro-porcjonalnego. Wyniki uzyskane dla pozostałych typów obserwatorów były zbliżone.

Dla przykładowego silnika o parametrach podanych w załączniku B.1, wielokrotnie przeprowadzono dobór parametrów obserwatora proporcjonalnego, a dwa wybrane wyniki przedstawiono na rysunku 3.3.4.1. Na rysunku 3.3.4.1a przedstawiono wyniki uzyskane przy zastosowaniu funkcji celu złożonej z elementów F1, F2 i F4, a na ry-sunku 3.3.4.1b uzyskane przy zastosowaniu funkcji celu złożonej z elementów F1, F3

i F4. Wartości funkcji celu obliczano dla prędkości obrotowych ω(r) równych −1,2,

−0,9, −0,6, −0,3 0, 0,3, 0,6, 0,9 i 1,2. Wynikiem doboru są zestawy parametrów ob-serwatora (różne wartości elementów macierzy K) o częściach rzeczywistych domi-nujących wartości własnych zmiennych w funkcji prędkości obrotowej i nieco róż-niących się od wartości zadanej (znaczniki 1 i 2 na rys. 3.3.4.1). Pozostałe wartości własne mają części rzeczywiste znacznie różniące się od wartości zadanej (znaczniki 3 i 4). O właściwościach dynamicznych obserwatora jednak w największym stopniu decydują dominujące wartości własne, o najmniejszych wartościach części rzeczywi-stych. Części urojone wartości własnych znacznie różnią się od wartości zadanej (znaczniki 5 i 6). Jest to spowodowane znacznie mniejszą zastosowaną wartością współczynnika kary ki w stosunku do kr. Jest to jednak konieczne dla zapewnienia od-powiednich wartości ważniejszych części rzeczywistych. Części urojone różne od

x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Rys. 3.3.4.1. Wyniki doboru parametrów obserwatora proporcjonalnego przy uży-ciu algorytmu genetycznego

x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

zera są związane z częstotliwościami drgań własnych obserwatora. Nie zauważono jednak w trakcie badań negatywnych efektów związanych z rezonansem. Szybkość z jaką algorytm osiąga zbieżność zależy od procentu selekcji (znaczniki 7 i 8). Przed-wczesna zbieżność często jednak niekorzystnie wpływała na jakość otrzymanych wy-ników. Tak jest również w tym przypadku – występują większe odchyłki dominującej wartości własnej od wartości zadanej w przypadku parametrów obserwatora obser-watora z rysunku 3.3.4.1b. Doświadczenia wykazały, że optymalna liczba pokoleń, po której osiągnięciu należy zatrzymać algorytm należy do przedziału od 30 do 50.

Praktycznie nie zdarzało się aby przed upływem pięćdziesięciu pokoleń algorytm nie uzyskał zbieżności, a czasami dobry wynik był znajdowany znacznie wcześniej, na-wet po przetworzeniu tylko dwudziestu pokoleń (znacznik 8). Odchyłki wartości funkcji celu występujące po uzyskaniu przez algorytm zbieżności (znacznik 9) są skutkiem mutacji.

Liczbę osobników w populacji należy zwiększać w celu osiągnięcia dobrych wyni-ków. Minimalna liczba osobników zapewniająca duże prawdopodobieństwo uzyska-nia dobrego wyniku, w przeprowadzonych doświadczeuzyska-niach wynosiła około 200, lecz najlepsze wyniki osiągano dla populacji liczących około 500 – 800 osobników.

Dalsze zwiększanie liczby osobników nie przynosiło znaczącej poprawy otrzymywa-nych wyników.

Rozdzielczość kodowania r dobierano tak, by była co najmniej o trzy rzędy wielkości mniejsza niż szerokość przedziału poszukiwań

〈

^hmin;h_max

〉

, co odpowiada liczbie bi-tów b nie mniejszej niż 10. Dobór wartości granicznych przedziału poszukiwań zale-ży od parametrów modelu matematycznego obiektu obserwowanego oraz od postaci funkcji celu i zadanych wartości wartości własnych obserwatora λzad. Najlepsze wyni-ki osiągano gdy wartości ograniczeń były liczbami przeciwnymi, czyli hmax = −hmin. Przedział poszukiwań można zawężać zmniejszając wartość hmax tak długo, jak nie powoduje to obniżenia jakości otrzymywanych wyników. Takie postępowanie po-zwala na ograniczenie wartości elementów dobieranej macierzy K, co automatycznie wpływa na zmniejszenie wskaźnika wzmocnienia tej macierzy i zapewnia spełnienie kryterium opisanego w rozdziale 3.2.3. Dzięki temu nie trzeba wprowadzać do funk-cji celu składnika F5. Należy zauważyć, że im więcej wprowadzamy do funkcji celu składników opisujących kolejne kryteria, to po dokonaniu doboru parametrów obser-watora, tym gorzej spełnione jest każde z tych kryteriów z osobna. Należy więc ogra-niczać liczbę składników funkcji celu do tych naprawdę niezbędnych dla zapewnie-nia poprawnej pracy obserwatora. Można zauważyć, że wynik przedstawiony na ry-sunku 3.3.4.1b charakteryzuje się znacznie mniejszą wartością funkcji celu ostatecz-nego rozwiązania niż wynik przedstawiony na rysunku 3.3.4.1a. Różnica ta wynika-jąca ze sposobu naliczania funkcji celu (zastosowany składnik F3 w miejsce F2), zo-stała zaobserwowana również w wielu innych przypadkach działania algorytmu.

W dalszych doświadczeniach, algorytm genetyczny uruchamiano w trzech seriach po 8000 tysięcy doborów, dla wartości λzad równych −0,032, −0,32 i −3,2. Uzyskane

wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x wy-x

niki przedstawiono na rysunkach 3.3.4.2 odpowiednio a, b i c. Liczby doborów za-kończonych sukcesem dla każdej serii wyniosły odpowiednio 3185, 5790 i 4500.

W każdej serii z każdego doboru na następny zwiększano wartość ograniczenia hmax = −hmin, rozpoczynając od wartości hmax = 0,01 a na wartości hmax = 100 kończąc.

Krok zwiększania wartości hmax był zmienny, tak dobrany aby rozkład liczby doborów w całym przedziale był logarytmicznie równomierny. Histogramy przedstawione na rysunku 3.3.4.2 wykreślono dzieląc pełny zakres zmienności hmax na 40 przedziałów.

Każdy słupek histogramu odpowiada więc 200 przeprowadzonym doborom.

Najwięcej doborów zakończonych powodzeniem przeprowadzono dla zadanych war-tości własnych λzad = −0,32 (rys. 3.3.4.2b), zbliżonych do wartości własnych modelu matematycznego silnika. W pozostałych przypadkach wszystkie dobory dla mocno ograniczonej przestrzeni poszukiwań (małe wartości hmax) kończyły sie niepowodze-niem. W przypadku zadanych wartości λzad = −3,2 (rys. 3.3.4.2c) przyczyną niepowo-dzenia były zbyt duże uzyskane wartości części rzeczywistych wartości własnych własnych (znacznik 1), w przypadku zadanych wartości własnych λzad = −0,032 przy-czyną niepowodzenia były zbyt małe uzyskane wartości części rzeczywistych warto-ści własnych obserwatora (znacznik 2).

Jak wynika z wykresów, wartość wskaźnika wzmocnienia otrzymanej w wyniku do-boru macierzy K jest silnie związana z ograniczeniem przestrzeni poszukiwań. Silnie ograniczona przestrzeń poszukiwań jest gwarancją uzyskania wyniku o niewielkiej wartości wskaźnika wzmocnienia macierzy K. W związku z tym, w badaniach zanie-chano stosowania dodatkowego składnika funkcji celu opisanego wzorem (3.2.3.1), tym bardziej, że jak stwierdzono, zastosowanie tego składnika powodowało gorsze spełnienie pozostałych kryteriów i zmniejszało sprawność doboru. Badania wykazały, że wartość wskaźnika wzmocnienia uzyskanej w wyniku doboru macierzy K jest mniej więcej proporcjonalna do wartości hmax = −hmin. Znaczne odstępstwa od tej re-guły, takie jak jeden z wyników na rysunku 3.3.4.2b (znacznik 3) są bardzo rzadkie, w tym przypadku był to jeden uzyskany rezultat na 5790 udanych doborów.

Zbyt rozległa przestrzeń poszukiwań jest równie niekorzystna, jak zbyt zawężona, gdyż algorytm ma problem z jej przeszukaniem. W tym przypadku należałoby wielo-krotnie zwiększyć liczbę chromosomów, co znacznie wydłuża czas działania algoryt-mu lecz nie zawsze gwarantuje uzyskanie zadowalającego wyniku. Skutkiem proble-mów jakie ma algorytm z przeszukaniem tak rozleglej przestrzeni poszukiwań jest sprawność algorytmu spadająca do zera wraz ze wzrostem wartości hmax. Ponadto, tylko dla dużych wartości hmax powszechnie występują przypadki odrzucenia wyniku z więcej niż jednego powodu (znacznik 4). Z wykresów wynika, że optymalnymi wartościami hmax są wartości z przedziału od 0,1 do 0,3. Dla tego przedziału we wszystkich przypadkach uzyskano bardzo wysoką sprawność działania algorytmu, czyli liczbę udanych doborów (wskaźniki 5, 6 i 7) oraz korzystną, niską wartość wskaźnika wzmocnienia macierzy K.

. . . . Analityczny algorytm doboru parametrów obserwatora x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

- 96- ys. 3.3.4.2. Wpływ ograniczenia przestrzeni poszukiwań na sprawność algorytmugenetycznego

x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

W dokumencie Zastosowanie obserwatorów Luenbergera do odtwarzania zmiennych stanu silnika indukcyjnego (Stron 92-97)