Interpretable PID parameter tuning for control engineering using general dynamic neural networks: An extensive comparison
Notice bibliographique
Résumé
Modern automation systems largely rely on closed loop control, wherein a controller interacts with a controlled process via actions, based on observations. These systems are increasingly complex, yet most deployed controllers are linear Proportional-Integral-Derivative (PID) controllers. PID controllers perform well on linear and near-linear systems but their simplicity is at odds with the robustness required to reliably control complex processes. Modern machine learning techniques offer a way to extend PID controllers beyond their linear control capabilities by using neural networks. However, such an extension comes at the cost of losing stability guarantees and controller interpretability. In this paper, we examine the utility of extending PID controllers with recurrent neural networks--namely, General Dynamic Neural Networks (GDNN); we show that GDNN (neural) PID controllers perform well on a range of complex control systems and highlight how they can be a scalable and interpretable option for modern control systems. To do so, we provide an extensive study using four benchmark systems that represent the most common control engineering benchmarks. All control environments are evaluated with and without noise as well as with and without disturbances. The neural PID controller performs better than standard PID control in 15 of 16 tasks and better than model-based control in 13 of 16 tasks. As a second contribution, we address the lack of interpretability that prevents neural networks from being used in real-world control processes. We use bounded-input bounded-output stability analysis to evaluate the parameters suggested by the neural network, making them understandable for engineers. This combination of rigorous evaluation paired with better interpretability is an important step towards the acceptance of neural-network-based control approaches for real-world systems. It is furthermore an important step towards interpretable and safely applied artificial intelligence.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,002 | 0,007 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,002 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,003 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».