ΕΥΦΥΗΣ ΕΛΕΓΧΟΣ Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στον Ευφυή Έλεγχο Επιμέλεια: Πέτρος Π. Γρουμπός, Καθηγητής Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών.

Παρουσίαση με θέμα: "ΕΥΦΥΗΣ ΕΛΕΓΧΟΣ Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στον Ευφυή Έλεγχο Επιμέλεια: Πέτρος Π. Γρουμπός, Καθηγητής Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΕΥΦΥΗΣ ΕΛΕΓΧΟΣ Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στον Ευφυή Έλεγχο Επιμέλεια: Πέτρος Π. Γρουμπός, Καθηγητής Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών

2 Σκοπός Στόχος της παρακάτω ενότητας είναι η εισαγωγή σε βασικές αρχές και έννοιες του Ευφυούς Ελέγχου. 2Ευφυής Έλεγχος

3 O Ευφυής Έλεγχος (Intelligent Control) αντιμετωπίζει το πρόβλημα του ελέγχου διαδικασιών με τρόπο που διαφέρει ριζικά από τον συμβατικό έλεγχο. Ο Ευφυής Έλεγχος βασίζεται στη γνώση και την εμπειρία του ανθρώπου-χειριστή και δεν απαιτεί εξειδικευμένη γνώση της ελεγχόμενης διαδικασίας. Μπορούμε, συνεπώς, να θεωρήσουμε τον Ευφυή Έλεγχο ως μια από τις πρώτες τεχνικές ελέγχου χωρίς πρότυπο, μια περιοχή έντονης έρευνας και ανάπτυξης που υπόσχεται πολλά.. Ο Ευφυής Έλεγχος αναζητά λύσεις στο πρόβλημα του ελέγχου μιας διαδικασίας από την πλευρά του ανθρώπου-χειριστή της διαδικασίας. 3Ευφυής Έλεγχος

4 Κατάταξη Ευφυών Συστημάτων 4Ευφυής Έλεγχος

5 Προϋποθέσεις Εφαρμογής Τα ευφυή συστήματα χρησιμοποιούν κατά κανόνα μια συλλογή από εμπειρικά και μη, γεγονότα κοινής λογικής καθώς και άλλων μορφών γνώσης, σε συνδυασμό με μεθόδους συλλογισμού για να συνάγουν συμπεράσματα σχετικά με τις απαιτούμενες δράσεις ελέγχου στην ελεγχόμενη διαδικασία. Βασικό χαρακτηριστικό των συστημάτων αυτών είναι ότι είναι ικανά να συνάγουν αποφάσεις από ελλιπή, ανακριβή και αβέβαια δεδομένα και έχουν εφαρμογή: για το σχεδιασμό συστημάτων εκτός-γραμμής και τον έλεγχο και διαχείριση βιομηχανικών διαδικασιών και τη διάγνωση βλαβών εξοπλισμού εντός-γραμμής. 5 Ευφυής Έλεγχος

6 Στοιχεία Εύκαμπτου Συστήματος Ελέγχου Μηχανισμός Συμπερασμού Βάση Δεδομένων Βάση Γνώσης 6Ευφυής Έλεγχος

7 Στόχοι του Ευφυούς Ελέγχου Οι βασικοί στόχοι κάθε Συστήματος Ευφυούς Ελέγχου είναι: η μεγιστοποίηση της στρατηγικής επιτυχίας της επιχείρησης, η αύξηση της παραγωγικότητας και η μείωση του κόστους του παραγόμενου προϊόντος 7Ευφυής Έλεγχος

8 Ερωτήσεις σχετικά με το προτεινόμενο σύστημα ελέγχου θα γίνει η απόσβεση του κόστους του συστήματος σε εύλογο χρονικό διάστημα; θα μειώσει το κόστος παραγωγής; θα αυξήσει την παραγωγικότητα; θα επιφέρει εξοικονόμηση ενέργειας; θα διευκολύνει τους χειριστές της διαδικασίας; 8Ευφυής Έλεγχος

9 Επιτυχία ευφυούς συστήματος ελέγχου Η επιτυχία ενός ευφυούς συστήματος ελέγχου εξαρτάται από την υποστήριξη και την αποδοχή του από: τη διοίκηση της επιχείρησης, τη διεύθυνση παραγωγής και τους χρήστες του συστήματος. 9Ευφυής Έλεγχος

10 Πλεονεκτήματα Ευφυούς Ελέγχου Η χρήση του Ευφυούς Ελέγχου στοχεύει να: εξοικονομήσει ενέργεια, αυξήσει την παραγωγικότητα, μειώσει το κόστος παραγωγής, αυξήσει το χρόνο μεταξύ επισκευών του εξοπλισμού, να μειώσει το φόρτο εργασίας των χειριστών της διαδικασίας. οδηγήσει σε ορθότερες αποφάσεις ελέγχου, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις που οι χειριστές δεν είχαν αντιμετωπίσει προηγουμένως. 10Ευφυής Έλεγχος

11 Ασαφείς Ελεγκτές (1/2) Οι Ασαφείς Ελεγκτές βασίζονται στη θεωρία της Ασαφούς Λογικής και οι Νευρωνικοί Ελεγκτές στα εκπαιδευόμενα Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα. Και οι δύο τεχνικές παρέχουν μηχανισμούς που επιτρέπουν την εξαγωγή συμπερασμάτων ακόμη και όταν δεν υπάρχει κανόνας για τις συγκεκριμένες συνθήκες της διαδικασίας. Αυτή είναι η ιδιότητα της παρεμβολής (extrapolation) που μοιράζονται με τα Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα. 11Ευφυής Έλεγχος

12 Η ανάπτυξη ενός Ασαφούς Ελεγκτή βασίζεται σε μεθόδους αναπαράστασης της γνώσης και μηχανισμούς ανεύρεσης αποφάσεων Ασαφούς Λογικής. Οι κανόνες, που είναι κατάλληλα κωδικοποιημένοι, καταχωρούνται σε μια βάση γνώσης και τα δεδομένα της διαδικασίας (μετρήσεις των μεταβλητών, παράμετροι, συντελεστές αισθητήρων και ενεργοποιητών της ελεγχόμενης διαδικασίας) σε μια Βάση Δεδομένων Πραγματικού Χρόνου (Real Time Data Base). Ο πυρήνας ενός Ασαφούς Ελεγκτή είναι ο μηχανισμός συμπερασμού, ικανός να συμπεραίνει και να υποστηρίζει τις αποφάσεις που εξάγει. Ασαφείς Ελεγκτές (2/2) 12Ευφυής Έλεγχος

13 Γενική Δομή Ασαφούς Ελεγκτή 13Ευφυής Έλεγχος

14 Νευρωνικοί Ελεγκτές Όπως και με τους ασαφείς ελεγκτές, η διασύνδεση των νευρωνικών ελεγκτών με την ελεγχόμενη διαδικασία γίνεται μέσω του υπάρχοντος Συστήματος Εποπτικού Ελέγχου και Συλλογής Πληροφοριών. Σε αντίθεση με τον ασαφή ελεγκτή, όμως, ένας Νευρωνικός Ελεγκτής δεν περιέχει ανεξάρτητη βάση γνώσης εφόσον στην περίπτωση αυτή η γνώση εμπεριέχεται στα βάρη του δικτύου και είναι αποτέλεσμα εκμάθησης. Συνεπώς, κάθε τροποποίηση ενός λεκτικού κανόνα απαιτεί την εκμάθηση εκ νέου του δικτύου. 14Ευφυής Έλεγχος

15 Τεχνικές Ευφυούς Ελέγχου (1/3) Το πρώτο στάδιο της ανάλυσης ενός συστήματος ελέγχου είναι η ανάπτυξη ενός μαθηματικού προτύπου (μοντέλου) που να αποδίδει πιστά τα δυναμικά χαρακτηριστικά της ελεγχόμενης διαδικασίας. Το πρότυπο αναγνωρίζεται μετά από δοκιμές επί της διαδικασίας ή αναπτύσσεται από φυσικούς κανόνες. Στη συνέχεια εφαρμόζονται διάφορες τεχνικές σχεδιασμού ελεγκτών. Σήμερα αυτό γίνεται σε συνεργασία με λογισμικό Σχεδιασμού Συστημάτων με Υπολογιστή (CACSD - Computer Aided Control Systems Design). Στόχος, μετά την ανάπτυξη του μαθηματικού προτύπου, είναι ο αλγόριθμος του κατάλληλου ελεγκτή που θα ικανοποιεί δεδομένες προδιαγραφές. 15Ευφυής Έλεγχος

16 Τεχνικές Ευφυούς Ελέγχου (2/3) Ο ελεγκτής υλοποιείται σε λογισμικό που ενσωματώνεται (embedded controller) σε κάποια υπολογιστική πλατφόρμα, π.χ. έναν μικρο-ελεγκτή ή ένα κατανεμημένο υπολογιστικό σύστημα. Ο σχεδιασμός ενός συμβατικού ελεγκτή, ειδικά όταν πρόκειται για πολυμεταβλητή διαδικασία, είναι επίπονος και απαιτεί επαναληπτικούς κύκλους ανάλυσης, σύνθεσης και δοκιμών στην ελεγχόμενη διαδικασία μέχρι να βρεθεί μια αποδεκτή λύση. 16Ευφυής Έλεγχος

17 Τεχνικές Ευφυούς Ελέγχου (3/3) Οι συμβατικοί βιομηχανικοί ελεγκτές τριών όρων μπορεί να συντονιστούν για μια περιορισμένη περιοχή. Όταν το σημείο λειτουργίας της διαδικασίας μετακινηθεί, τότε οι συμβατικοί ελεγκτές δεν μπορούν να αποδώσουν ικανοποιητικά και προηγμένες τεχνικές, όπως π.χ. ο προσαρμοστικός (adaptive), ο αυτο-συντονιζόμενος (auto-tuning),ο προγραμματιζόμενος (gain- scheduling) και ο μεταγωγικός (logic switching) έλεγχος, θα πρέπει να θεωρηθούν. Οι τεχνικές αυτές είναι σημαντικά πιο εξελιγμένες και κατέχουν υψηλότερο βαθμό αυτονομίας (autonomy), άρα κατέχουν στοιχεία ευφυΐας. Παρατηρούμε ότι η ευφυΐα και η αυτονομία συνδέονται άμεσα. 17Ευφυής Έλεγχος

18 Έλεγχος Πολύπλοκων Διαδικασιών (1/2) Στόχος κάθε ελεγκτή, συμβατικού ή μη, είναι να μειώσει την αβεβαιότητα και της ασάφεια στο περιβάλλον λειτουργίας τους. Όπως αναφέραμε και προηγουμένως, η ανάγκη για την αυτοματοποίηση βιομηχανικών διαδικασιών μεγάλης κλίμακας που παράγουν προϊόντα υψηλών προδιαγραφών έχει συντελέσει στην ανάπτυξη νέων μη-συμβατικών τεχνικών ελέγχου. 18Ευφυής Έλεγχος

19 Έλεγχος Πολύπλοκων Διαδικασιών (2/2) Οι πρώτοι μη-συμβατικοί βιομηχανικοί ελεγκτές είδαν το φως στις αρχές του 1980 και εφαρμόστηκαν πρώτα στην τσιμεντοβιομηχανία, μια βιομηχανία με πολλά και σοβαρά προβλήματα ελέγχου. Η ανάπτυξη των ευφυών ελεγκτών έκτοτε ήταν ραγδαία και σήμερα βρίσκονται σε μεγάλο αριθμό βιομηχανιών και πλήθος οικιακών συσκευών (πλυντήρια, ψυγεία, βιντεοκάμερες, φωτο- γραφικές μηχανές κ.ά.). 19Ευφυής Έλεγχος

20 Διαφορές Άκαμπτου-Εύκαμπτου Ελέγχου (1/5) Σημαντική διαφορά μεταξύ του συμβατικού ή άκαμπτου ελέγχου και του μη-συμβατικού ή εύκαμπτου (flexible) ελέγχου είναι ο διαχωρισμός μεταξύ της ελεγχόμενης διαδικασίας και του ελεγκτή όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Στο συμβατικό έλεγχο η διαδικασία θεωρείται δεδομένη, δεν επιδέχεται αλλαγές και είναι ανεξάρτητη από τον ελεγκτή που σχεδιάζεται με τεχνικές της κλασικής ή της σύγχρονης θεωρίας ελέγχου. Αντιθέτως, στον εύκαμπτο έλεγχο η διαδικασία και ο ελεγκτής θεωρούνται ένα σύνολο που αντιμετωπίζεται ενιαία. 20Ευφυής Έλεγχος

21 Αντιμετώπιση του άκαμπτου (α) και εύκαμπτου (β) ελέγχου Διαφορές Άκαμπτου-Εύκαμπτου Ελέγχου (2/5) 21Ευφυής Έλεγχος

22 Διαφορές Άκαμπτου-Εύκαμπτου Ελέγχου (3/5) Ειδικά στη βιομηχανία ισχύουν τα εξής χαρακτηριστικά: η φυσική διαδικασία Δ είναι τόσο σύνθετη ώστε πολλά χαρακτηριστικά της είναι άγνωστα, οι προδιαγραφές Π απαιτούν μεγάλο βαθμό αυτονομίας ώστε το κλειστό σύστημα να μπορεί να λειτουργεί ικανοποιητικά χωρίς παρεμβάσεις ακόμη και όταν το σύστημα υποστεί βλάβες. 22Ευφυής Έλεγχος

23 Κλειστό σύστημα ελέγχου ΔΠ Ε Ελέγχου Έξοδος Είσοδος Διαφορές Άκαμπτου-Εύκαμπτου Ελέγχου (4/5) 23Ευφυής Έλεγχος

24 Διαφορές Άκαμπτου-Εύκαμπτου Ελέγχου (5/5) Το πρόβλημα του ελέγχου με μη-συμβατικές τεχνικές διατυπώνεται ακριβώς όπως και για το συμβατικό έλεγχο και είναι το εξής: με δεδομένη τη διαδικασία Δ, να βρεθεί ένας ελεγκτής Ε ώστε να ικανοποιούνται οι προδιαγραφές Π, που μπορεί να είναι ποσοτικές ή ποιοτικές. Η διαφορά μεταξύ του συμβατικού (ή άκαμπτου) και του μη-συμβατικού, εύκαμπτου ελέγχου έγκειται στην άγνοια του προτύπου της διαδικασίας Δ στη δεύτερη περίπτωση. 24Ευφυής Έλεγχος

25 Συνιστώσες του Ευφυούς Ελέγχου Υπολογιστική Νοημοσύνη Θεωρία Συστημάτων Επιχειρησιακή Έρευνα Πληροφορική 25Ευφυής Έλεγχος

26 Αυτονομία και Ευφυής Έλεγχος Ένα ευφυές σύστημα μπορεί να δράσει σε ένα αβέβαιο περιβάλλον έτσι ώστε να αυξηθεί η επιτυχία της ελεγχόμενης διαδικασίας. Η επιτυχία ορίζεται ως η ικανοποίηση των στόχων και το αντικείμενο του συστήματος. Η ευφυΐα απαιτεί την ικανότητα αναγνώρισης του περιβάλλοντος, την ικανότητα να λαμβάνονται και να υποστηρίζονται αποφάσεις και την ικανότητα να ελέγχονται οι δράσεις επί της διαδικασίας. 26Ευφυής Έλεγχος

27 Ιεραρχική Δομή Ευφυούς Συστήματος (1/2) Οργάνωση Συντονισμός Εκτέλεση Ευφυϊα Ακρίβεια 27Ευφυής Έλεγχος

28 Ιεραρχική Δομή Ευφυούς Συστήματος (2/2) Περιέχει τρία βασικά επίπεδα: Το επίπεδο της Οργάνωσης που ασχολείται με τον χρονικό προγραμματισμό των έργων που πρέπει να διεκπεραιωθούν καθώς και με αποφάσεις υψηλού επιπέδου που πρέπει να ληφθούν. Το επίπεδο του Συντονισμού των έργων που έχουν αποφασιστεί από το επίπεδο της Οργάνωσης. Όπως και με το επίπεδο Οργάνωσης, το επίπεδο Συντονισμού κατέχει χαρακτηριστικά ανθρώπινης ευφυΐας. Μέσω του επιπέδου Εκτέλεσης των έργων γίνεται η διασύνδεση με τη φυσική διαδικασία. 28Ευφυής Έλεγχος

29 Κατανεμημένη Αρχιτεκτονική Ευφυούς Συστήματος Σημειώνεται ότι στην πράξη το ανώτατο επίπεδο Οργάνωσης συχνά συγχωνεύεται με το επίπεδο Συντονισμού. 29Ευφυής Έλεγχος

30 Εύκαμπτες Τεχνικές Οι Ευφυείς Ελεγκτές βασίζονται σε ποιοτικές περιγραφές σχετικά με το πώς λειτουργεί μια διαδικασία σε μακροσκοπική μορφή, αντί μιας ρητής περιγραφής των φυσικών διαδικασιών. Το πρόβλημα της ανάπτυξης ενός εύκαμπτου ελεγκτή εντοπίζεται συνεπώς στην απόκτηση της γνώσης του ανθρώπου-χειριστή και το σχεδιασμό κάποιου μηχανισμού που θα αναπαράγει τη γνώση αυτή. Οι εξής τεχνικές έχουν επικρατήσει: τα Έμπειρα Συστήματα, η Ασαφής Λογική, τα Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα και τα Νευρο-Ασαφή Συστήματα. 30Ευφυής Έλεγχος

31 Έμπειρα Συστήματα Τα έμπειρα συστήματα λειτουργούν είτε εκτός-γραμμής ή εντός- γραμμής. Τα εκτός-γραμμής έμπειρα συστήματα βασίζονται σε διάλογο μεταξύ χρήστη και συστήματος. Μια αποτελεσματική δομή των συστημάτων αυτών βασίζεται σε δέντρα αποφάσεων και σε μηχανισμούς πρόσθιας και οπίσθιας ανίχνευσης (forward and back tracking), που φέρει αποτέλεσμα εφόσον βρεθεί κλάδος του δέντρου αποφάσεων που να καταλήγει σε μοναδική λύση. Στη βιομηχανία υπάρχει σήμερα μεγάλος αριθμός Εμπείρων Συστημάτων βασισμένων σε κανόνες για τη διάγνωση βλαβών βιομηχανικού εξοπλισμού και για το σχεδιασμό συστημάτων με υπολογιστή, για τον προγραμματισμό και τη βέλτιστη διαχείριση της ενέργειας και της παραγωγής. 31Ευφυής Έλεγχος

32 Ασαφής Λογική Η Ασαφής Λογική, που κατέχει παράλληλη θέση με τη θεωρία πιθανοτήτων, την οποία όμως δεν αντικαθιστά, στοχεύει να αναπαράγει τον ασαφή συμπερασμό για αβέβαιες και σύνθετες διαδικασίες καθώς και να παράσχει ένα μέσο για την παράσταση της έννοιας των ασαφών λεκτικών προτάσεων σε μια φυσική λεκτική δομή. Η Ασαφής Λογική είναι ένα ιδανικό όχημα για την περιγραφή και ανάλυση προσεγγιστικών λεκτικών μορφών, όπου το αληθές είναι σχετικό. 32Ευφυής Έλεγχος

33 Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα (ΤΝΔ) (1/2) Τα Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα (ΤΝΔ) προτάθηκαν τη δεκαετία του 1950, πολύ πριν από την Ασαφή Λογική, αλλά οι συνθήκες τότε δεν επέτρεπαν την πρακτική τους χρήση. Τα ΤΝΔ αποτελούνται από πυκνά παράλληλα επίπεδα απλών μη-γραμμικών κόμβων που συνδέονται μεταξύ τους με κλάδους, τα συναπτικά βάρη των οποίων καθορίζουν την συμπεριφορά του δικτύου. Διάφορες αρχιτεκτονικές καθώς και αλγόριθμοι για την εκπαίδευσή τους έχουν αναπτυχθεί την τελευταία δεκαετία. Η εφαρμογή τους στον έλεγχο διαδικασιών ήταν θέμα χρόνου και σήμερα η τεχνική αυτή του Ευφυούς Ελέγχου ολοένα διεισδύει στη βιομηχανία. 33Ευφυής Έλεγχος

34 Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα (ΤΝΔ) (2/2) Τα ΤΝΔ έχουν τα εξής χαρακτηριστικά: μαθαίνουν από εμπειρία αντί από προτυποποίηση ή προγραμματισμό, έχουν την ικανότητα να γενικεύσουν και να συσχετίσουν παρόμοια είσοδο με παρόμοια έξοδο, μπορούν να σχηματίσουν μια αυθαίρετη μη-γραμμική συνάρτηση μεταξύ εισόδου και εξόδου, έχουν κατανεμημένη αρχιτεκτονική που είναι έμφυτα παράλληλη. έχουν ευστάθεια και ικανότητα απορρόφησης νέας γνώσης χωρίς να αλλοιώνεται η υπάρχουσα και έχουν ικανότητα εκμάθησης εντός-γραμμής παρά τις διαταραχές στη διαδικασία. 34Ευφυής Έλεγχος