Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/42579
Type: Tese
Title: Sistemas neuro-fuzzy evolutivos : novos algoritmos de aprendizado e aplicações
Authors: Alisson Marques da Silva
First Advisor: Walmir Matos Caminhas
First Co-advisor: André Paim Lemos
First Referee: Ivan Nunes da Silva
Second Referee: Fernando Antônio Campos Gomide
Third Referee: Marcos Flávio Silveira Vasconcelos DAngelo
metadata.dc.contributor.referee4: Eduardo Mazoni Andrade Marçal Mendes
metadata.dc.contributor.referee5: Daniel Furtado Leite
Abstract: Este trabalho tem como objetivo propor novos algoritmos de aprendizado incremental para sistemas fuzzy evolutivos visando aplicações em sistemas de tempo real com dinâmica rápida e algoritmos evolutivos com seleção adaptativa de entradas. As técnicas propostas buscam construir algoritmos eficientes e com baixo custo computacional. Com foco nesses objetivos, foram propostos quatro algoritmos de aprendizado para a estrutura da rede neuro-fuzzy NeoFuzzy-Neuron (NFN). Basicamente, a rede NFN ´e definida como um conjunto de n modelos desacoplados do tipo Takagi-Sugeno de Ordem Zero, um por variável de entrada, cada um contendo m regras. A estrutura da rede favorece a utilização de algoritmos recursivos eficientes para a atualização dos parâmetros e possibilita inclusão/exclusão de regras fuzzy e variáveis de entrada durante o aprendizado. O primeiro algoritmo (eNFN) utiliza uma abordagem de aprendizado incremental que, simultaneamente, granulariza o domínio das variáveis de entrada e atualiza os pesos dos modelos de saída de forma incremental. Inicialmente, são definidas duas regras fuzzy para cada entrada e, em função do erro calculado para um fluxo de dados, regras podem ser adicionadas, excluídas e/ou ter seus parâmetros ajustados. O segundo algoritmo (NFN-SAE) consiste num mecanismo incremental de seleção adaptativa de entradas, permitindo a inclusão ou exclusão de variáveis de entrada por meio de um teste estatístico, calculado recursivamente, que leva em consideração a acurácia e a complexidade do modelo. O terceiro (eNFN-SAE) e o quarto (X-eNFN-SAE) algoritmos utilizam a técnica para evolução da estrutura introduzida no primeiro algoritmo e o método de seleção adaptativa de entradas do segundo algoritmo. No eNFN-SAE o processo de granulação do domínio das variáveis de entrada e o cálculo do grau de ativação das funções de pertinência são computados somente uma vez para cada amostra do fluxo de dados. Ao contrário, no X-eNFN-SAE, estes cálculos são realizados uma vez para o modelo atual e uma vez para cada modelo candidato, a cada amostra do fluxo de dados. O desempenho dos algoritmos desenvolvidos ´e avaliado na identificação de processos não lineares e em problemas de previsão. Resultados computacionais mostram que as abordagens propostas possuem um desempenho comparável ao desempenho de abordagens alternativas tratadas na literatura, e possuem um menor custo computacional - fator importante para modelagem on-line de processos. Além disso, o eNFN foi avaliado experimentalmente em tempo real na modelagem de um sistema de levitação magnética (Maglev) e de um sistema MIMO de duplo rotor (TRMS), ambos com alta taxa de amostragem (dinâmica rápida). Os resultados experimentais mostram que o eNFN é capaz de capturar o comportamento do sistema dinâmico com precisão e baixo custo computacional. Os resultados experimentais mostram que o eNFN alcança boa precisão, e sugerem a rede neuro-fuzzy como uma abordagem eficaz para estimar em tempo real as variáveis de estado de processos dinâmicos rápidos e não lineares.
Abstract: This work introduces incremental learning algorithms for evolving fuzzy models with applications in real-time systems with fast dynamics and algorithms with adaptive feature selection. The focus is on efficient and low computational cost algorithms. Four incremental learning algorithms were developed using the Neo-Fuzzy-Neuron (NFN) neuro-fuzzy network. Basically, the NFN is a set of n decoupled zero-order Takagi-Sugeno models, one for each input variable, each one containing m rules. The network structure favors the use of efficient recursive algorithms for parameter update and the inclusion/exclusion of fuzzy rules and input variables during incremental learning. The first algorithm (eNFN) uses an incremental learning approach that simultaneously granulates the input space and updates the weights of output models. Initially, two fuzzy rules are defined for each input and, depending on an error measure computed based on a data stream, rules can be added, deleted and/or have their parameters adjusted. The second algorithm (NFN-AFS) is an incremental mechanism for adaptive feature selection that allows inclusion/exclusion of input variables using a statistical test that considers the accuracy and complexity of the model, computed recursively. The third (eNFN-AFS) and fourth (X-eNFN-AFS) algorithms use an approach to evolve the network structure introduced in the eNFN and the mechanism to adaptive feature selection of the NFN-AFS. In eNFN-AFS the granulation of the domain of the input variables and the computation of the degree of activation of the membership functions are performed only once at each step, i.e. there is a unique set of membership functions for each input variable. Unlike of the eNFN-AFS, in X-eNFN-AFS granulation the domain of the input variables and computation of the degree of activation of the membership functions are performed for the current model and for each candidate model, i.e. each model (current and candidate) has a set of membership functions for each one of its input variable, at each step. The performance of the algorithms is evaluated considering nonlinear processes identification and times series forecasting problems. Computational experiments and comparisons against alternative evolving models show that the approaches introduced here are accurate and fast, characteristics suitable for adaptive systems modeling, especially in realtime, on-line environments. Furthermore, the eNFN was evaluated experimentally in real-time to model two actual systems (Magnetic Levitation System (MagLev) and Twin Rotor MIMO System (TRMS)) using high sampling rate. Experimental results show that the eNFN is capable to quickly capture the behavior of the system dynamics, and to model the system with precision and low computational complexity. Experimental results also show that the eNFN attains good accuracy, and suggest the neuro-fuzzy network as an effective approach to estimate state variables of fast nonlinear dynamic processes in real-time.
Subject: Engenharia elétrica
Algoritmos de computador
Sistemas difusos
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/42579
Issue Date: 10-Apr-2014
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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