Development of evolutionary algorithms for intelligent real-time control systems using field-programmable technology

Abstract

Η διασφάλιση της βέλτιστης απόδοσης των μονάδων ελέγχου, όπως οι αναλογικοί-ολοκληρωτικοί-παραγώγιμοι ελεγκτές “Proportional–Integral–Derivative” (PID), είναι απαραίτητη για τη διατήρηση της αποδοτικότητας, της σταθερότητας και του γρήγορου χρόνου απόκρισης σε βιομηχανικά συστήματα αυτοματισμού, όπως τα συστήματα θέρμανσης, εξαερισμού και κλιματισμού “Heating, Ventilation, and Air Conditioning” (HVAC). Ωστόσο, οι συμβατικοί ελεγκτές συχνά αντιμετωπίζουν τις πολύπλοκες, μη-γραμμικές δυναμικές και τις διαταραχές που υπάρχουν σε βιομηχανικές εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Αυτές οι προκλήσεις έχουν δημιουργήσει μια αυξανόμενη ανάγκη για προηγμένες, ισχυρές και προσαρμοστικές τεχνικές βελτιστοποίησης. Αυτή η διδακτορική διατριβή εστιάζει σε έναν ισχυρό αλγόριθμο βελτιστοποίησης, τον “Big Bang-Big Crunch” (BB-BC), ως μια γρήγορη και αξιόπιστη λύση για την αυτόματη ρύθμιση παραμέτρων ελέγχου σε πρακτικές εφαρμογές.

Με κίνητρο την αυξανόμενη ζήτηση για έλεγχο υψηλής ταχύτητας, ενεργειακά αποδοτικό και σε πραγματικό χρόνο σε βιομηχανικά συστήματα, η παρούσα εργασία διερευνά υλοποιήσεις αλγορίθμων βελτιστοποίησης με επιτάχυνση υλικού, εστιάζοντας σε προγραμματιζόμενες στο πεδίο συστοιχίες πυλών “Field-Programmable Gate Arrays” (FPGA). Παρόλο που ο αλγόριθμος BB-BC είναι κατάλληλος για εφαρμογές πραγματικού χρόνου λόγω της ταχείας σύγκλισής του και της χαμηλής υπολογιστικής πολυπλοκότητάς του, οι υλοποιήσεις που βασίζονται σε λογισμικό και εκτελούνται σε συμβατικούς επεξεργαστές συχνά δεν πληρούν αυστηρούς χρονικούς περιορισμούς. Για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός, η διατριβή προτείνει μια νέα αρχιτεκτονική βασισμένη σε FPGA για τον αλγόριθμο BB-BC. Η τεχνολογία προγραμματισμού πεδίου προσφέρει μια ρεαλιστική λύση για τη βελτίωση του χρόνου απόκρισης και την εξοικονόμηση κατανάλωσης ενέργειας, και παρουσιάζει έναν αποτελεσματικό τρόπο υλοποίησης σύνθετων αλγορίθμων, βελτιώνοντας την απόκριση σε πραγματικό χρόνο σε συστήματα ελέγχου. Με άλλα λόγια, η τεχνολογία προγραμματισμού πεδίου παρέχει ένα ευέλικτο και παράλληλο υπολογιστικό περιβάλλον για την εκτέλεση αλγορίθμων βελτιστοποίησης σε βιομηχανικές εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Σε αυτή τη διατριβή, δείχνουμε ότι ο αλγόριθμος BB-BC είναι κατάλληλος για επιτάχυνση με χρήση τεχνολογίας FPGA. Προτείνουμε μηχανισμούς απόδοσης υλικού που ξεπερνούν τους περιορισμούς σχεδιασμού που παρατηρούνται στους κλασικούς γενετικούς εξελικτικούς αλγόριθμους, οι οποίοι συχνά εμποδίζουν την απόδοση των επιταχυντών που βασίζονται σε υλικό και παρουσιάζουν περιορισμούς, ιδιαίτερα όσον αφορά την επεκτασιμότητα και τον χρόνο απόκρισης. Παρουσιάζουμε έναν επιταχυντή βασισμένο σε FPGA για τον αλγόριθμο BB-BC, ο οποίος ενσωματώνει τη σχεδίαση και των δύο φάσεων του αλγορίθμου, της Φάσης Μεγάλης Έκρηξης “ Big Bang Phase ” (BBP) και της Φάσης Μεγάλης Κρούσης “Big Crunch Phase” (BCP), με μηχανισμό διοχέτευσης (pipelined design). Ένα ισχυρό μεθοδολογικό πλαίσιο για αυτόν τονFPGA επιταχυντή έχει αναπτυχθεί και επικυρωθεί σε ένα τυπικό πρόβλημα βελτιστοποίησης χρησιμοποιώντας τυπικά μαθηματικά benchmarks. Τα πειραματικά αποτελέσματα καταδεικνύουν σημαντική επιτάχυνση σε σύγκριση με αντίστοιχες υλοποιήσεις λογισμικού.

Παρά το αυξανόμενο ενδιαφέρον για εύρωστη βελτιστοποίηση σε πραγματικό χρόνο για βιομηχανικά συστήματα ελέγχου - που συνήθως χαρακτηρίζονται από διαταραχές, μη γραμμικότητες και χρονικές καθυστερήσεις - η υπάρχουσα βιβλιογραφία προσφέρει λίγες λύσεις που συνδυάζουν αλγόριθμους ταχείας σύγκλισης με επιτάχυνση υλικού. Αυτή η διατριβή αντιμετωπίζει αυτό το κενό μελετώντας την ενσωμάτωση του BB-BC σε πολλαπλές στρατηγικές ελέγχου, συμπεριλαμβανομένων των PID, Fractional-Order PID (FOPID) και του Αλγορίθμου Μάθησης για Ανάλυση Πολυμεταβλητών Δεδομένων “Learning Algorithm for Multivariate Data Analysis ”(LAMDA), και αξιολογώντας τις υλοποιήσεις τους με χρήση FPGA.

Συγκεκριμένα, η διατριβή εξετάζει τη χρήση του BB-BC για την ρύθμιση των ελεγκτών PID και FOPID, ενώ προτείνει και την υλοποίησή τους με χρήση υλικού σε πλατφόρμες FPGA. Η προσέγγιση επικυρώνεται σε ένα σύστημα HVAC, χρησιμοποιώντας διάφορες στρατηγικές μοντελοποίησης, όπως μοντέλα Δεύτερης Τάξης Συν Χρονικής Καθυστέρησης “Second-Order Plus Time Delay” (SOPTD). Επιπλέον, οι ελεγκτές PID, FOPID και LAMDA που συντονίζονται με χρήση του BB-BC, σχεδιάζονται και αναλύονται για την ανθεκτικότητά τους υπό διαφορετικά προφίλ διαταραχών, επιτρέποντας τη συγκριτική αξιολόγηση σε διαφορετικά βιομηχανικά σενάρια. Προσομοιώσεις MATLAB/Simulink του συνδυασμένου πλαισίου βελτιστοποίησης-ελέγχου υπογραμμίζουν περαιτέρω την ανώτερη συμπεριφορά

χρονισμού, την επεκτασιμότητα και την ενεργειακή απόδοση των λύσεων BB-BC με επιτάχυνση FPGA σε σύγκριση με τις παραδοσιακές τεχνικές.

Οι βασικοί στόχοι αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι:

• Η ανάπτυξη μιας νέας υλοποίησης του αλγορίθμου βελτιστοποίησης BB-BC με χρήση FPGA και η επίδειξη της απόδοσής της μέσω αντιπροσωπευτικών περιπτώσεων μελέτης.

• Η ενσωμάτωση του αλγορίθμου BB-BC σε ελεγκτές PID και FOPID για βελτιστοποίηση παραμέτρων και η επικύρωση της προτεινόμενης προσέγγισης σε συστήματα HVAC.

• Η επέκταση της προσέγγισης βελτιστοποίησης BB-BC σε ελεγκτές LAMDA για να διερευνηθεί η εφαρμογή της σε πιο σύνθετα βιομηχανικά περιβάλλοντα.

• Η βελτίωση της απόδοσης πραγματικού χρόνου και της ενεργειακής απόδοσης μέσω βελτιστοποίησης με επιτάχυνση υλικού χρησιμοποιώντας τεχνολογία FPGA.