Adaptive Reinforcement Learning for Real-World Systems with Delays
2024 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesis
Abstract [en]
Reinforcement Learning (RL) allows for learning optimal control strategies for sequential decision-making in processes using the framework of Markov Decision Process (MDP). Regular MDPs assume that the actions selected at a given time step are executed instantaneously and the agent has access to the full state and reward resulting from those actions. However, in realistic scenarios the agent will usually observe the result of the selected actions only after some time, due to, for example, communication lags or response times of physical systems. While the highest focus in existing literature lies on handling known and constant delays, the framework introduced in this thesis allows for an extension to unknown bounded delays. Instead of controlling the process by a single entity, we define a few operational modes and their respective agents. With full knowledge about delay, it is possible to use a delay-informed agent. However, that needs to be preceded by a delay identification period. To satisfy the safety requirements in real-world applications, in this mode the command is handed over to a delay-safe agent, whose purpose is to stabilise the process with robustness to any delay within the considered range. With a component able to manage the transition between those operation modes and corresponding agents, the control framework can autonomously adapt to any value of delay present in the true process. Additionally, the proposed solution uses pre-trained components, consequently minimising the training effort and exploration in the real process, which is crucial for industrial applications.
Abstract [sv]
Förstärkningsinlärning (RL) gör det möjligt att lära sig optimala reglerstrategier för sekventiellt beslutsfattande i processer modellerade som markovbeslutsprocesser (MDP). Klassiska MDPer förutsätter att de handlingar som väljs vid ett givet tidssteg utförs omedelbart och att agenten har tillgång till information om hela tillståndsvektorn och den belöning som följer av dessa handlingar. I realistiska scenarier kommer dock agenten vanligtvis att erhålla information om resultatet av de valda handlingarna först efter en viss tid, till exempel på grund av kommunikationsfördröjningar eller svarstider för fysiska system. I den befintliga litteraturen ligger fokus på att hantera kända och konstanta tidsfördröjningar, men det ramverk som introduceras i den här rapporten möjliggör en utvidgning till okända, begränsade tidsfördröjningar. Istället för att styra processen med en enda enhet definierar vi ett fåtal driftlägen och deras motsvarande agenter. Med full kunskap om tidsfördröjningen är det möjligt att använda en speciell fördröjningsinformerad agent. Detta måste dock föregås av en period där tidsfördröjningens storlek skattas. För att uppfylla säkerhetskraven i verkliga tillämpningar överlämnas kommandot i detta läge till en annan agent, vars syfte är att stabilisera processen med robusthet mot alla fördröjningar inom det aktuella intervallet. Kompletterad med en komponent som kan hantera övergången mellan dessa driftlägen och motsvarande agenter kan reglerramverket autonomt anpassa sig till alla storlekar på tidsfördröjningen som tros kunna uppstå i den verkliga processen. Utöver detta använder den föreslagna metoden förtränade komponenter. Detta minimerar tiden spenderad på träning och anpassning till den verkliga processen vilket är av stor vikt för industriella tillämpningar.
Place, publisher, year, edition, pages
2024. , p. 90
Series
TRITA-EECS-EX ; 2024:830
Keywords [en]
reinforcement learning, delays, actor-critic
Keywords [sv]
förstärkningsinlärning, tidsfördröjningar, aktör-kritiker
National Category
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-360480OAI: oai:DiVA.org:kth-360480DiVA, id: diva2:1940424
External cooperation
Västerås, ABB AB
Supervisors
Examiners
2025-02-272025-02-262025-02-27Bibliographically approved