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Optimal tracking control of batch processes with time-invariant state delay: Adaptive Q-learning with two-dimensional state and control policy

计算机科学 国家(计算机科学) 增强学习 不变(物理) 控制(管理) 跟踪(教育) 控制理论(社会学) LTI系统理论 人工智能 强化学习 算法 数学 线性系统 数学物理 数学分析 教育学 心理学
作者
Huiyuan Shi,Mengdi Lv,Xueying Jiang,Chengli Su,Ping Li
出处
期刊:Engineering Applications of Artificial Intelligence [Elsevier BV]
卷期号:132: 108006-108006 被引量:4
标识
DOI:10.1016/j.engappai.2024.108006
摘要

Given that conventional model-based control methods have some limitations for dynamic systems with unknown model parameters and existing reinforcement learning methods do not take batch and time delay information into account, a novel data-based adaptive Q-learning approach with two-dimensional (2D) state and control policy is proposed to address the optimal tracking control issue for batch processes with time-invariant state delay. The extended delay state space equation, value function, Q function and optimal performance index are initially presented along the time and batch directions. By examining the correlation between the 2D value function and the 2D Q function, a delay-dependent 2D Bellman equation is designed independent of the process model, which is solved to obtain the expression of the control law. Without requiring prior knowledge of the system, the optimal gain matrices of the control law are further learned by using the current and historical state, output error values and time delay information of the timewise and batchwise. It is feasible to achieve accelerated convergence and reduced errors between the optimal control gain matrices and the learning gain matrices, hence enhancing the tracking capabilities of the systems. At the same time, the unbiasedness and convergence of the given adaptive Q-learning approach are strictly proved. The effectiveness of the proposed algorithm is ultimately validated by simulation comparisons of injection molding, specifically regarding the convergence of control gains and the tracking of output.
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