1 Fraunhofer Institut Integrierte Schaltungen IIS 13. Symposium Simulationstechnik - ASIM ’99 vom 21.-14. September 1999 an der Bauhaus-Universität Weimar Neuronale Netze in mechatronischen Systemen - ein Ansatz für die Modellierung und Simulation Peter Schneider, Marcus Müller, Peter Schwarz Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen Außenstelle EAS Dresden Zeunerstraße 38, D-01069 Dresden e-mail: [email protected]
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Neuronale Netze in mechatronischen Systemen - ein Ansatz ...publications.eas.iis.fraunhofer.de/papers/1999/024/slides.pdf · 2 Fraunhofer Institut Integrierte Schaltungen IIS Einleitung
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
13. Symposium Simulationstechnik - ASIM ’99vom 21.-14. September 1999 an der Bauhaus-Universität Weimar
Neuronale Netze in mechatronischen Systemen - ein Ansatz für die Modellierung und Simulation
Peter Schneider, Marcus Müller, Peter Schwarz
Fraunhofer-Institut für Integrierte SchaltungenAußenstelle EAS DresdenZeunerstraße 38, D-01069 Dresdene-mail: [email protected]
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Einleitung
Einbeziehung Neuronaler Netze in die Systemsimulation
Entwurfsumgebung für intelligente Systeme• Datenaufbereitung• Simulatorkopplung• Modellgenerierung
Erprobung der Entwurfsumgebung an mechatronischen Systemen
Ausblick
Übersicht
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Prozeß
UMWELT
Systeme mit Neuronalen Netzen
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Prozeß
UMWELT
Systeme mit Neuronalen Netzen
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Sensoren
Prozeß
UMWELT
Vorver-arbeitung
Systeme mit Neuronalen Netzen
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Sensoren
„klassische“ Signalverarbeitungs-
und Steuerungs-algorithmen
Prozeß
UMWELT
Neuronale Netze
Vorver-arbeitung
Systeme mit Neuronalen Netzen
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Sensoren
„klassische“ Signalverarbeitungs-
und Steuerungs-algorithmen
Aktoren
Prozeß
UMWELT
Neuronale Netze
An-steuerung
Vorver-arbeitung
Systeme mit Neuronalen Netzen
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Sensoren
„klassische“ Signalverarbeitungs-
und Steuerungs-algorithmen
Aktoren
Prozeß
UMWELT
Neuronale Netze
An-steuerung
Vorver-arbeitung
Robotik• Regelung und Steuerung• Bahnplanung und Greif-
raumexploration
Systeme mit Neuronalen Netzen
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Sensoren
„klassische“ Signalverarbeitungs-
und Steuerungs-algorithmen
Aktoren
Prozeß
UMWELT
Neuronale Netze
An-steuerung
Vorver-arbeitung
Robotik• Regelung und Steuerung• Bahnplanung und Greif-
<SY> REG (D1,BUSA[16:1]::X[16:1]<RE> REGISTER[16:1]<BO> X = REGISTER|D1| REGISTER ¨BUSA ...FORTRAN, PASCAL, C (Subroutinen)
Simulatorkopplung
Fremdsimulator (ANSYS, Saber, ...)
u
f,v
B B
i
F(p)
S1
S2
1
RS
&
1
1
CLOCK
CTRLOFL
BU
S B
REG1
REG2BU
S A
KOSIM
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Zell, A.; Mache, N.; Sommer, T.; Korb, T.: The SNNS Neural Network Simulator. 13. DAGM SymposiumMustererkennung, Okt. 1991 München, Informatik-Fachberichte 290, Springer-Verlag, S. 454-461
Stuttgart Neural Network Simulator (SNNS)
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Schematic Entry
*.cir*.vhdl...
Bibliotheken*.csdf*.dat
PostprocessingTool
System-simulator
Systemsimulation
Entwurfsumgebung für intelligente Systeme
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
NN-SimulatorGUI
*.net*.cfg...
*.err*.net*.res
*.net
C-CodeErzeugung
NN-SimulatorGUI
NN-Simulator
*.pat
Lernmuster
Simulation Neuronaler Netze
Entwurfsumgebung für intelligente Systeme
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Schematic Entry
NN-SimulatorGUI
*.cir*.vhdl...
*.net*.cfg...
Bibliotheken*.csdf*.dat
*.err*.net*.res
NN-SimulatorGUI
System-simulator
NN-Simulator
Erzeugung von Lerndatenfür das Neuronale Netz durch Systemsimulationen
Entwurfsumgebung für intelligente Systeme
21
FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Schematic Entry
NN-SimulatorGUI
*.cir*.vhdl...
*.net*.cfg...
Bibliotheken*.csdf*.dat
*.err*.net*.res
NN-SimulatorGUI
Skalierung,Konvertierung
System-simulator
NN-Simulator
Erzeugung von Lerndatenfür das Neuronale Netz durch Systemsimulationen
Off-line-Lernen
Entwurfsumgebung für intelligente Systeme
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Schematic Entry
NN-SimulatorGUI
*.cir*.vhdl...
*.net*.cfg...
Bibliotheken*.csdf*.dat
*.err*.net*.res
NN-SimulatorGUI
PostprocessingTool
System-simulator
NN-Simulator
Simulatorkopplung
Entwurfsumgebung für intelligente Systeme
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Schematic Entry
NN-SimulatorGUI
*.cir*.vhdl...
*.net*.cfg...
Bibliotheken*.csdf*.dat
*.err*.net*.res
NN-SimulatorGUI
PostprocessingTool
System-simulator
NN-Simulator
Simulator-kopplung
Simulatorkopplung
On-line Lernen
SKIP
Entwurfsumgebung für intelligente Systeme
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
SchaltungssimulatorNN-Simulator
Simulatorkopplung
• mehrere NN-Simulatorenankoppelbar
Entwurfsumgebung für intelligente Systeme
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
SchaltungssimulatorNN-Simulator NN-Simulator
LAN
Simulatorkopplung
• mehrere NN-Simulatorenankoppelbar
• lokale und verteilteSimulation
Entwurfsumgebung für intelligente Systeme
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
SchaltungssimulatorNN-Simulator NN-Simulator
NN-Simulator
LAN
Internet
Simulatorkopplung
• mehrere NN-Simulatorenankoppelbar
• lokale und verteilte Simulation
Entwurfsumgebung für intelligente Systeme
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Schematic Entry
NN-SimulatorGUI
*.cir*.vhdl...
*.net*.cfg...
Bibliotheken*.csdf*.dat
*.err*.net*.res
NN-SimulatorGUI
PostprocessingTool
System-simulator
NN-Simulator
Modellgenerierung
Entwurfsumgebung für intelligente Systeme
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
Schematic Entry
NN-SimulatorGUI
*.cir*.vhdl...
*.net*.cfg...
Bibliotheken*.csdf*.dat
*.err*.net*.res
*.net
C-CodeErzeugung
NN-SimulatorGUI
PostprocessingTool
System-simulator
NN-Simulator
Modellgenerierung
Modellgenerierung
Recall
Entwurfsumgebung für intelligente Systeme
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Integrierte Schaltungen
IIS
• statistische Auswertung• Skalierung• Konvertierung in SNNS-Format
• Datenaustausch über Sockets oder Shared Memory• Übertragung von Steuer- und Statusinformationen• Instanziierung von mehreren NN-Simulatoren möglich• Kopplungen SNNS-KOSIM und SNNS-SABER verfügbar
• Nutzung des C-Code-Generators SNNS2C• Automatische Erzeugung von Modellen für die Systemsimu-
lation (KOSIM, SABER)
Datenaufbereitung
Simulatorkopplung
Modellgenerierung
SKIP
Entwurfsumgebung für intelligente Systeme
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Integrierte Schaltungen
IIS
SNNS KOSIM
IPC
send()
run()
wait()
wait()
recv()
send()
dispatch
recv()dispatch
Zusammenspiel KOSIM - SNNS
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Integrierte Schaltungen
IIS
Nutzermodelle für ereignisorientierte Simulation
123
nenable
123
m
Kommunikationskanal KOSIM-SNNS
kosim2snns
snns2kosim
IPC-Routinen
kosim2snns
snns2kosim
Einbindung der Kopplung in KOSIM
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Integrierte Schaltungen
IIS
Eingriffe in den Quelltext des Simulators (Batchversion)
Kommunikationskanal KOSIM-SNNS
IPC-Routinen
initialize netinitialize IPCwaitread inputs
calculate net
update net
write outputsreleaseclose IPCclose snns
SNNS
Einbindung der Kopplung in SNNS
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Integrierte Schaltungen
IIS
F
θm
m
m sin2θ+( ) θ·· 12---θ·
2sin(2θ ) m 1+( )sinθ–+⋅ f cosθ⋅–=
F θ θ·,( ) 5sinθ θ·+=
x
Prinzipdarstellung
Systemgleichung
Kraftvorgabe
Stabbalancierer
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Integrierte Schaltungen
IIS
F
NeuronalesNetz
System-modell
Kraft-vorgabe
F θ θ·,( ) 5sinθ θ·+=
θ
θ.
FNN
FTeach
θ (t=0)θ (t=0).
Gesamtsystemmodell
Stabbalancierer
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FraunhoferInstitut
Integrierte Schaltungen
IIS
F
NeuronalesNetz
System-modell
Kraft-vorgabe
F θ θ·,( ) 5sinθ θ·+=
θ
θ.
FNN
FTeach
θ (t=0)θ (t=0).
Systemsimulation
NN-Simulation
Gesamtsystemmodell
Stabbalancierer
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Integrierte Schaltungen
IIS
• Multi-Layer-Perzeptron (MLP) • zwei Eingabeneuronen• zwei verdeckten Schichten mit 12 und 6 Neuronen• ein Ausgabeneuron• Standardbackpropagation