【模糊神经网络】基于模糊神经网络的倒立摆轨迹跟踪控制

  临近春节没啥事做，突然想起前两年未完成的模糊神经网络，当时是学了一段时间，但是到最后矩阵求偏导那块始终不对，最后也不了了之了，趁最近有空，想重新回顾回顾，看看会不会产生新的想法。经过不断尝试后，竟然达到了想要的效果，所以简要记录一下留个笔记。以下内容只讲干货，不玩虚的。

0 引言

  模糊神经网络结合了模糊控制与神经网络两者的优点，不仅具备对非线性、时变、模型不完全系统的控制，同时还具备很好的自学习和自适应能力。模糊神经网络主要用于模型控制以及函数逼近等领域。

1 倒立摆模型

被控对象为单级倒立摆，其动力学方程为$$\begin{gathered} {\dot{x}}_1=x_2 \\ {\dot{x}}_2=f\left(\mathbf{x}\right)+g\left(\mathbf{x}\right)u \end{gathered}$$其中，$f\left(\mathbf{x}\right)=\frac{g\sin x_1-ml{x}_2^2\cos x_1\sin x_1/\left(m_c+m\right)}{l\left(4/3-m{\cos }^2{x}_1/\left(m_c+m\right)\right)}$；$g\left(\mathbf{x}\right)=\frac{\cos x_1/\left(m_c+m\right)}{l\left(4/3-m{\cos }^2{x}_1/\left(m_c+m\right)\right)}$，$x_1$ 和 $x_2$ 分别为摆角和摆速，$g$ 为重力加速度，$m_c$ 为小车质量，$m$ 摆的质量，$l$ 为摆长的一半，$u$ 为控制输入。

2 控制器设计

2.1 模糊神经网络结构

第一层：输入层。输入层为双输入，分别为系统偏差 $e$ 和系统偏差变化率 $\dot{e}$，然后通过激活函数$f_1\left(x\right)$输出到模糊化层。 $$f_1\left(x_i\right)=x_i$$ 第二层：模糊化层。本层的激活函数即隶属函数，采用逼近能力较好的高斯函数$$f_2\left(i,j\right)=\exp \left[-\frac{{\left(x_i-c_{ij}\right)}^2}{2{\sigma }_{ij}^2}\right]$$ 其中，$i=1,2；j=1,2,...n；$$c_{ij}$ 和 ${\sigma }_{ij}$ 分别为高斯函数的中心和基宽。
第三层：模糊推理层。本层使用的激活函数为$$\begin{gathered} \phi \left(j\right)=\prod _{j=1}^N{f}_2\left(i,j\right) \\ {f}_3\left(j\right)=\frac{\phi \left(j\right)}{{\sum }_{j=1}^N\phi \left(j\right)} \end{gathered}$$其中，$N={\prod }_{i=1}^n{n}_i$，为神经元和。
第四层：输出层。本层主要是输出模型控制量 $u$ 。$$f_4\left(i\right)=\mathbf{\omega }\cdot f_3=\sum _{j=1}^N\mathbf{w}\left(i,j\right)\cdot f_3\left(j\right)$$其中，$\mathbf{\omega }$ 为模糊推理层与输出层的连接权矩阵。

2.2 模糊神经网络的训练算法

  LM算法结合高斯牛顿算法和梯度下降法，兼具局部收敛法和全局搜索的优点。但是，由于LM算法的计算复杂度和存储容量会随着训练样本数目的增加而增加，为了解决该问题，利用IALM算法优化所有的参数。参数向量$\Theta \left(t\right)$ 的更新规则如下：$$\Theta \left(t+1\right)=\Theta \left(t\right)-{\left(\Psi \left(t\right)+\eta \left(t\right)\mathbf{I}\right)}^{-1}\Omega \left(t\right)$$其中，$\Theta \left(t\right)={\left[\mathbf{\omega }\left(t\right),\mathbf{c}\left(t\right),\mathbf{\sigma }\left(t\right)\right]}^{\mathrm{T}}$ 为参数向量，$\mathbf{I}$ 为用于矩阵求逆时避免奇异的单位矩阵，$\Psi \left(t\right)$ 为准海森(quasi-Hessian)矩阵，$\Omega \left(t\right)$ 为梯度向量。自适应学习率 $\mathbf{\eta }\left(t\right)$ 的调整规则如下：$$\mathbf{\eta }\left(t\right)={\beta }_m\Vert \mathbf{e}\left(t\right)\Vert +\left(1-{\beta }_m\right)\Vert \Omega \left(t\right)\Vert$$其中，${\beta }_m\left(0<{\beta }_m<1\right)$ 为预设的常量，$\Psi \left(t\right)$ 和 $\Omega \left(t\right)$ 分别为所有样本的子矩阵 ${\mathbf{\psi }}_p\left(t\right)$ 和子向量 ${\mathbf{\omega }}_p\left(t\right)$ 的累加，即$$\begin{gathered} \Psi \left(t\right)=\sum _{p=1}^P{\mathbf{\psi }}_p\left(t\right) \\ \Omega \left(t\right)=\sum _{p=1}^P{\mathbf{\omega }}_p\left(t\right) \end{gathered}$$其中，子矩阵 ${\mathbf{\psi }}_p\left(t\right)$ 和子向量 ${\mathbf{\omega }}_p\left(t\right)$ 分别定义为$$\begin{gathered} {\mathbf{\psi }}_p\left(t\right)={\dot{J}}_p^{\mathrm{T}}\left(t\right){\dot{J}}_P\left(t\right) \\ \Omega \left(t\right)={\dot{J}}_p^{\mathrm{T}}\left(t\right)e_P\left(t\right) \end{gathered}$$其中，$e_P\left(t\right)$ 为对于第 $p$ 个样本，期望输出和网络实际输出之间的误差 $e_P\left(t\right)=y_d^p\left(t\right)-y^p\left(t\right),p=1,2,...P$，${\dot{J}}_p\left(t\right)$ 为 $\mathrm{Jacobian}$ 矩阵的行向量，即$${\dot{J}}_p\left(t\right)=\left[\frac{\partial e_p}{\partial w_1},...,\frac{\partial e_p}{\partial w_r},\frac{\partial e_p}{\partial c_{11}},...,\frac{\partial e_p}{\partial c_{ij}},...,\frac{\partial e_p}{\partial c_{nr}},\frac{\partial e_p}{\partial {\sigma }_{11}},...,\frac{\partial e_p}{\partial {\sigma }_{ij}},...,\frac{\partial e_p}{\partial {\sigma }_{nr}}\right]$$根据梯度下降学习算法的更新规则，$\mathrm{Jacobian}$ 矩阵行向量的元素可表示为$$\begin{gathered} \frac{\partial e_p\left(t\right)}{\partial w_j\left(t\right)}=-h_j\left(t\right) \\ \frac{\partial e_p\left(t\right)}{\partial c_{ij}\left(t\right)}=-w_j\left(t\right)\frac{{\sum }_{k\ne j}^r{\phi }_k\left(t\right)}{{\left({\sum }_{k=1}^r{\phi }_k\left(t\right)\right)}^2}\prod _{k\ne i}^n{\mu }_{kj}\left(t\right)\frac{\partial {\mu }_{ij}\left(t\right)}{\partial c_{ij}\left(t\right)} \\ \frac{\partial e_p\left(t\right)}{\partial {\sigma }_{ij}\left(t\right)}=-w_j\left(t\right)\frac{{\sum }_{k\ne j}^r{\phi }_k\left(t\right)}{{\left({\sum }_{k=1}^r{\phi }_k\left(t\right)\right)}^2}\prod _{k\ne i}^n{\mu }_{kj}\left(t\right)\frac{\partial {\mu }_{ij}\left(t\right)}{\partial {\sigma }_{ij}\left(t\right)} \end{gathered}$$其中，$$\begin{gathered} \frac{\partial {\mu }_{ij}\left(t\right)}{\partial c_{ij}\left(t\right)}=\frac{2\left(x_i\left(t\right)-c_{ij}\left(t\right)\right)\exp \left(-{\left(x_i\left(t\right)-c_{ij}\left(t\right)\right)}^2/{\sigma }_{ij}^2\left(t\right)\right)}{{\sigma }_{ij}^2\left(t\right)} \\ \frac{\partial {\mu }_{ij}\left(t\right)}{\partial {\sigma }_{ij}\left(t\right)}=\frac{2{\left(x_i\left(t\right)-c_{ij}\left(t\right)\right)}^2\exp \left(-{\left(x_i\left(t\right)-c_{ij}\left(t\right)\right)}^2/{\sigma }_{ij}^2\left(t\right)\right)}{{\sigma }_{ij}^3\left(t\right)} \end{gathered}$$  至此，就是IALM算法的所有公式，根据以上步骤，便可编写出模糊神经网络各层的程序以及参数向量的学习算法，控制器程序也就得到了。
  IALM算法相比LM算法来说，可以直接计算准海森矩阵$\Psi \left(t\right)$和梯度向量$\Omega \left(t\right)$，不需要执行 $\mathrm{Jacobian}$ 矩阵的乘法，从而降低了算法计算复杂度，并且自适应学习率$\mathbf{\eta }\left(t\right)$ 也有助于加快学习速度和提高泛化能力。
  

3 模型搭建与仿真

  仿真目的：使用模糊神经网络控制器控制倒立摆完成轨迹跟踪运动。
  在Simulink中搭建如下图所示的系统模型：

  参数设置：取 $x_1=\theta$ ，期望轨迹为 ${\theta }_{\mathrm{d}}\left(t\right)=0.1\sin \left(t\right)$ ，系统的初始状态为 $\left[\pi /60,0\right]$ ，网络初始权值取随机值，宽度取2，中心取-2至2 。模糊神经网络控制器的输入为误差和误差变化率，输出为控制量。

仿真结果
角度跟踪效果

角度跟踪误差

仿真分析
  根据仿真结果可得，角度跟踪效果良好，角度跟踪误差在1e-2数量级，较好的完成轨迹跟踪的目的，因此可得，模糊神经网络控制器设计成功。

4 总结

  模糊神经网络控制器的仿真程序比较复杂，涉及到很多数学运算，尤其是矩阵运算以及各种函数求导，在编写代码的时候要特别注意矩阵的维度问题。
  回想前两年学习的过程，我突然想到最开始我想用李雅普诺夫稳定性来更新神经网络权值，但最后始终有一个矩阵求偏导问题解决不了，而这次我用的梯度下降法来更新神经网络，各个矩阵求导公式也比较清晰，所以能够完成复现。
  模糊神经网络仿真初见成效，也算是解决了历史遗留问题，心里舒服多了。

5 参考文献

[1] 周红标,张钰,柏小颖,等. 基于自适应模糊神经网络的非线性系统模型预测控制[J]. 化工学报,2020,71(7):3201-3212. DOI:10.11949/0438-1157.20191531.

[2] 陶征勇,童仲志,侯远龙,等. 基于模糊神经网络的破障武器PID控制[J]. 电光与控制,2020,27(9):99-104. DOI:10.3969/j.issn.1671-637X.2020.09.020.

[3] 张璐,张嘉成,韩红桂,等. 基于模糊神经网络的污水处理生化除磷过程控制[J]. 化工学报,2020,71(3):1217-1225. DOI:10.11949/0438-1157.20191514.

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