PyTorch实现GP与贝叶斯优化策略

26、使用PyTorch在Python中实现二维函数。在定义域[0, 2]²上可视化该函数。从定义域[0, 2]²中随机抽取100个数据点,将其用作训练数据。实现一个具有常数均值函数和Matérn 5/2核的高斯过程(GP)模型,其中输出尺度用gpytorch.kernels.ScaleKernel对象实现。在初始化核对象时不指定ard_num_dims参数或将其设为None。使用梯度下降法训练GP模型的超参数,并在训练后检查长度尺度。重新定义GP模型类,这次将ard_num_dims设为2。

以下是实现步骤及代码示例:

  1. 实现二维函数:
import torch

def f(x):
    return (
        torch.sin(5 * x[..., 0] / 2 - 2.5) * torch.cos(2.5 - 5 * x[..., 1])
        + (5 * x[..., 1] / 2 + 0.5) ** 2 / 10
    ) / 5 + 0.2
  1. 可视化函数:
import matplotlib.pyplot as plt
lb = 0
ub = 2
xs = torch.linspace(lb, ub, 101)
x1, x2 = torch.meshgrid(xs, xs)
xs = torch.vstack((x1.flatten(), x2.flatten())).transpose(-1, -2)
ys = f(xs)
plt.imshow(ys.reshape(101, 101).T, origin='lower', extent=[lb, ub, lb, ub])
plt.show()
  1. 随机抽取100个数据点作为训练数据:
torch.manual_seed(0)
train_x = torch.rand(size=(100, 2)) * 2
train_y = f(train_x)
  1. 实现GP模型:
import gpytorch

class GPModel(gpytorch.models.ExactGP):
    def __init__(self, train_x, train_y, likelihood):
        super().__init__(train_x, train_y, likelihood)
        self.mean_module = gpytorch.means.ConstantMean()
        self.covar_module = gpytorch.kernels.ScaleKernel(
            gpytorch.kernels.MaternKernel(
                nu=2.5,
                ard_num_dims=None
            )
        )

    def forward(self, x):
        mean_x = self.mean_module(x)
        covar_x = self.covar_module(x)
        return gpytorch.distributions.MultivariateNormal(mean_x, covar_x)

likelihood = gpytorch.likelihoods.GaussianLikelihood()
model = GPModel(train_x, train_y, likelihood)
  1. 训练超参数并检查长度尺度:
import torch.optim as optim
model.train()
likelihood.train()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.1)
mll = gpytorch.mlls.ExactMarginalLogLikelihood(likelihood, model)
for i in range(500):
    optimizer.zero_grad()
    output = model(train_x)
    loss = -mll(output, train_y)
    loss.backward()
    optimizer.step()
model.eval()
likelihood.eval()
print(model.covar_module.base_kernel.lengthscale)
  1. 重新定义GP模型类,设置ard_num_dims = 2:
class ARDGPModel(gpytorch.models.ExactGP):
    def __init__(sel
带开环升压转换器和逆变器的太阳能光伏系统 太阳能光伏系统驱动开环升压转换器和SPWM逆变器提供波形稳定、设计简单的交流电的模型 Simulink模型展示了一个完整的基于太阳能光伏的直流到交流电力转换系统,该系统由简单、透明、易于理解的模块构建而成。该系统从配置为提供真实直流输出电压的光伏阵列开始,然后由开环DC-DC升压转换器进行处理。升压转换器将光伏电压提高到适合为单相全桥逆变器供电的稳定直流链路电平。 逆变器使用正弦PWM(SPWM)开关来产生干净的交流输出波形,使该模型成为研究直流-交流转换基本操作的理想选择。该设计避免了闭环和MPPT的复杂性,使用户能够专注于光伏接口、升压转换和逆变器开关的核心概念。 此模型包含的主要功能: •太阳能光伏阵列在标准条件下产生~200V电压 •具有固定占空比操作的开环升压转换器 •直流链路电容器,用于平滑和稳定转换器输出 •单相全桥SPWM逆变器 •交流负载,用于观察实际输出行为 •显示光伏电压、升压输出、直流链路电压、逆变器交流波形和负载电流的组织良好的范围 •完全可编辑的结构,适合分析、实验和扩展 该模型旨在为太阳能直流-交流转换提供一个干净高效的仿真框架。布局简单明了,允许用户快速了解信号流,检查各个阶段,并根据需要修改参数。 系统架构有意保持模块化,因此可以轻松扩展,例如通过添加MPPT、动态负载行为、闭环升压控制或并网逆变器概念。该模型为进一步开发或整合到更大的可再生能源模拟中奠定了坚实的基础。
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