Sliding-Mode-Lernverfahren für neuronale Netzwerke in adaptiven Regelungssystemen von Philipp Schnetter

Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur Nutzung von Online-trainierten neuronalen Netzwerken in sicherheitskritischen Regelungssystemen dar. Indem der Trainingsfehler und dessen Ableitung durch die vorgestellten Verfahren in eine stabile Ruhelage gezwun- gen werden, ist es möglich das Konvergenzverhalten des Netzwerks gezielt zu beeinflussen. Als Resultat dessen, kann das oftmals als Black-Box empfundene Netzwerktraining gegen- über klassischen Methoden transparenter gestaltet werden. Grundlage der vorgestellten Lernverfahren ist die Übertragung ausgewählter Sliding- Mode-Control-Konzepte erster und zweiter Ordnung auf das Training neuronaler Netzwerke. Durch die Verwendung der diesen Ansätzen zu Grunde liegenden Sta- bilitätsbedingungen, kann für die dargestellten Trainingsverfahren eine dynamische Berechnung der Lernrate umgesetzt werden. Die auf diese Weise realisierbare Überführung der Netzwerkzustände in den asymptotisch stabilen Gleitzustand wird anhand ausge- wählter Trainingsbeispiele demonstriert und hinsichtlich des Konvergenzverhaltens in Abhängigkeit eingeführter Stabilitätsparameter untersucht. Anwendung im Kontext der adaptiven Regelung sicherheitskritischer Systeme finden die dargestellten Trainingsverfahren als Teil einer nichtlinearen dynamischen Inversionsrege- lung. Zur Darstellung der generischen Natur der entwickelten Verfahren werden dabei sowohl ein Flug- als auch ein Fahrzeugregler mit Erweiterung um neuronale Netzwerke umgesetzt und in nichtlinearen Simulationen untersucht. Dabei unterstreichen die Ergeb- nisse sowohl die im Vergleich zu etablierten Ansätzen erhöhte Konvergenzgeschwindigkeit, als auch die gestiegene Robustheit gegenüber Parameterunsicherheiten und Systemschä- den. In besondere Weise kann die vereinfachte Anwendbarkeit von neuronalen Netzwerken mit Verwendung der entwickelten Lernverfahren, durch die direkte Übertragbarkeit der Trainingsparameter zwischen den beiden vorgestellten Regelungsanwendungen, gezeigt werden. Darüber hinaus demonstrieren praktische Fahrversuche die Relevanz von adaptiven Rege- lungssystemen für den Ausgleich auftretender Systemfehler. Dabei wird durch die Unter- suchung des Sliding-Mode-Lernverfahrens sowie dem Vergleich des Inversionsreglers mit einem nicht lernfähigen Regelungskonzept der Vorteil von schnellen und robust trainierten neuronalen Netzwerken unterstrichen.