透過多階段調校框架提升貝葉斯優化控制器調校的計算效率

Kernkonzepte

本文提出了一種多階段控制器調校框架，透過將控制器調校任務分解為多個子任務，並利用貝葉斯優化方法解決每個子任務，從而降低整體計算成本並提升調校效率。

Zusammenfassung

多階段貝葉斯優化控制器調校框架

本研究旨在解決多輸入多輸出 (MIMO) 系統中，控制器自動調校因參數空間維度高而導致計算成本高的問題。

多階段調校框架： 將控制器調校任務分解成多個階段，每個階段負責調校系統中的一部分控制器，並將其視為一個多目標優化子任務。
貝葉斯優化： 採用貝葉斯優化方法來解決每個階段的控制器調校子任務，透過高斯過程模型和採集函數，有效地探索參數空間並找到最佳參數配置。
水下無人載具 (UUV) 基準測試： 使用一個具有六個自由度的水下無人載具模擬平台，評估所提出的多階段調校框架的性能。

Wichtige Erkenntnisse aus

Improving Computational Cost of Bayesian Optimization for Controller Tuning with a Multi-stage Tuning Framework

by Marlon J. Ar... um arxiv.org 11-11-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.05355.pdf

Tiefere Fragen

如何將此多階段調校框架應用於具有更複雜動態和更高維度參數空間的系統？

將此多階段調校框架應用於更複雜的系統，主要挑戰在於如何有效地將高維度參數空間分解成低維度的子空間，以及如何處理系統動態中的非線性和耦合性。以下是一些應對這些挑戰的策略：

更精細的系統分解:

對於具有複雜動態的系統，可以採用更精細的分解策略，例如將單個控制器分解成多個子控制器，或者根據系統動態特性將時間軸劃分成多個階段，每個階段採用不同的控制器參數。
此外，可以利用控制理論中的降階模型技術，將高階系統近似為低階系統，從而降低參數空間的維度。

先進的變量解耦技術:

對於具有強耦合性的系統，需要採用更先進的變量解耦技術，例如基於模型的解耦、基於數據驅動的解耦等，以便更有效地將多輸入多輸出系統分解成多個單輸入單輸出系統，從而簡化控制器設計和調校。

分層優化策略:

可以採用分層優化策略，將複雜的控制器調校問題分解成多個層次的優化問題。例如，可以先優化高層控制器，再優化低層控制器，或者先優化控制器結構，再優化控制器參數。

高效的貝葉斯優化算法:

對於高維度參數空間，需要採用更高效的貝葉斯優化算法，例如基於稀疏高斯過程的貝葉斯優化、基於多任務學習的貝葉斯優化等，以降低計算複雜度。

如果系統模型存在顯著的不確定性，此方法的效能會如何變化？

如果系統模型存在顯著的不確定性，此方法的效能可能會受到影響，因為貝葉斯優化依賴於對目標函數的準確評估。以下是一些應對系統模型不確定性的策略：

魯棒性優化:

可以採用魯棒性優化方法，將系統模型的不確定性考慮進去，例如，可以使用魯棒貝葉斯優化方法，在優化過程中考慮模型的不確定性，尋找對模型誤差具有魯棒性的控制器參數。

自適應控制:

可以採用自適應控制方法，根據系統運行過程中收集的數據，在線更新控制器參數，以應對系統模型的不確定性。

基於學習的控制:

可以採用基於學習的控制方法，例如強化學習，直接從系統運行數據中學習控制器，而不需要依賴於系統模型。

除了貝葉斯優化之外，還有哪些其他機器學習技術可以用於控制器調校，它們與多階段框架的結合又會產生什麼影響？

除了貝葉斯優化，還有許多其他機器學習技術可以用於控制器調校，例如：

強化學習 (Reinforcement Learning):

強化學習是一種基於試錯的學習方法，可以讓智能體通過與環境交互，學習到最優的控制策略。強化學習不需要預先知道系統模型，因此適用於處理複雜的非線性系統。
與多階段框架結合，可以將強化學習應用於每個階段的控制器調校，從而逐步優化整個系統的性能。

進化算法 (Evolutionary Algorithms):

進化算法是一種基於生物進化理論的優化算法，可以通過模擬自然選擇、交叉和變異等過程，搜索最優的控制器參數。進化算法具有較强的全局搜索能力，適用於處理高維度、非凸的優化問題。
與多階段框架結合，可以使用進化算法在每個階段搜索最優的控制器參數，並將每個階段的最優解作為下一個階段的初始解，從而提高搜索效率。

深度學習 (Deep Learning):

深度學習是一種基於深度神經網絡的機器學習方法，可以通過學習大量的數據，建立複雜的非線性映射關係。深度學習可以用於學習系統模型、設計控制器、以及優化控制器參數。
與多階段框架結合，可以使用深度學習建立每個階段的系統模型，並基於模型設計和優化控制器。

這些機器學習技術與多階段框架的結合，可以充分發揮各自的優勢，提高控制器調校的效率和性能。例如，可以利用強化學習的在线学习能力，在系統運行過程中不斷優化控制器參數；可以利用進化算法的全局搜索能力，尋找更優的控制器結構；可以利用深度學習的非线性建模能力，處理更複雜的系統動態。