[論文レビュー] Fast Hybrid PSO and Tabu Search Approach for Optimization of a Fuzzy Controller

Nesrine Talbi, Khaled Belarbi|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2011

Fuzzy Logic and Control Systems参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、Takagi-Sugeno零次ファジィコントローラーの所属関数およびルールの結論を最適化するために、粒子群最適化（PSO）とタブー探索（TS）を組み合わせた高速ハイブリッド最適化手法を提案する。各PSO反復においてTSを統合することで、最良の近隣解を探索し、計算時間と反復回数を削減しながら高い精度と最小限の応答時間を維持する。三ルールの逆ピンドルム系を用いた実験により、収束速度の向上が実証された。

ABSTRACT

In this paper, a fuzzy controller type Takagi_Sugeno zero order is optimized by the method of hybrid Particle Swarm Optimization (PSO) and Tabu Search (TS). The algorithm automatically adjusts the membership functions of fuzzy controller inputs and the conclusions of fuzzy rules. At each iteration of PSO, we calculate the best solution and we seek the best neighbor by Tabu search, this operation minimizes the number of iterations and computation time while maintaining accuracy and minimum response time. We apply this algorithm to optimize a fuzzy controller for a simple inverted pendulum with three rules.

研究の動機と目的

• メタヒューリスティック手法を用いたファジィコントローラーのチューニングにおける収束が遅く、計算コストが高いための課題に対処すること。
• PSOとタブー探索のハイブリダイゼーションにより、ファジィコントローラーのパrameter最適化の効率性と正確性を向上させること。
• 動的システムにおける高い制御性能を維持しながら、応答時間と計算負荷を最小限に抑えること。
• 実世界の制御問題である単純な逆ピンドルムの安定化に、このハイブリッド手法を適用し、検証すること。
• PSOの反復内にタブー探索を統合することで、局所探索の精度が向上し、総合的な反復回数が削減されることを示すこと。

提案手法

• 粒子群最適化（PSO）がグローバルサーチ能力を提供するハイブリッドアルゴリズムが設計された。
• 各PSO反復において、現在の最良解の近隣を探索するため、タブー探索（TS）が適用され、より優れた局所解が見つかるようにする。
• この手法は、Takagi-Sugeno零次ファジィコントローラーの入力所属関数および出力ルール結論を自動的にチューニングする。
• ハイブリッド手法は、PSOによるグローバル探索とTSによる強力な局所探索をバランスさせ、収束を加速する。
• システム応答性能に基づいてフィットネスを評価し、安定化時間とオーバーシュートを最小化する。
• 最適化プロセスは、単一の逆ピンドルム系の三ルールファジィコントローラーに適用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タブー探索をPSOに統合することで、ファジィコントローラーのチューニングにおける収束速度が向上するか？
• RQ2 単独のPSOと比較して、ハイブリッドPSO-TSアプローチは反復回数と計算時間を削減するか？
• RQ3 ハイブリッド手法は、ファジィ制御システムにおける制御精度と応答時間を、どの程度維持または向上させるか？
• RQ4 このハイブリッド手法は、同時に所属関数とルール結論の最適化にどの程度効果的か？
• RQ5 従来のチューニング手法と比較して、このハイブリッド手法は逆ピンドルムの迅速な安定化を達成できるか？

主な発見

• ハイブリッドPSO-TSアプローチは、最適なファジィコントローラーのパrameterに到達するための反復回数を顕著に削減した。
• 各PSO反復におけるタブー探索による効率的な局所探索のおかげで、計算時間が最小限に抑えられた。
• 逆ピンドルム系の安定化において、収束が速く、応答時間も短くなった。
• 最適化プロセスは、ファジィコントローラーの入力所属関数およびルール結論の両方を成功裏にチューニングした。
• TSの統合により、局所探索の精度が向上し、計算負荷を増加させることなく解の品質が向上した。
• ファジィコントローラーのチューニングにおいて、標準的なPSOに比べて速度と正確性の両面で優れた性能を示した。