基于某BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器的設(shè)計(jì).doc

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1、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器的研究與實(shí)現(xiàn)課程名稱(chēng)：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)目錄前言2一、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3二、模擬PID控制系統(tǒng)5三、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器6四、仿真程序10五、運(yùn)行結(jié)果17六、總結(jié)18參考文獻(xiàn)19前言人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以一種簡(jiǎn)單神經(jīng)元為節(jié)點(diǎn)，采用某種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的活性網(wǎng)絡(luò)，可以用來(lái)描述幾乎任意的非線性系統(tǒng)。不僅如此，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還具有學(xué)習(xí)能力、記憶能力、計(jì)算能力以及各種智能處理能力，在不同程度和層次上模仿人腦神經(jīng)系統(tǒng)的信息處理、存儲(chǔ)和檢索的功能。不同領(lǐng)域的科學(xué)家，對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有著不同的理解、不同的研究容，并且采用不同的研究方法。對(duì)于控制領(lǐng)域的研

2、究工作者來(lái)說(shuō)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魅力在于：①能夠充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系，從而形成非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，以表示某種被控對(duì)象的模型或控制器模型；②能夠?qū)W習(xí)和適應(yīng)不確定性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；③所有定量或定性的信息都分布儲(chǔ)存于網(wǎng)絡(luò)的各神經(jīng)單元，從而具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和魯棒性；④采用信息的分布式并行處理，可以進(jìn)行快速大量運(yùn)算。對(duì)于長(zhǎng)期困擾控制界的非線性系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)疑是一種解決問(wèn)題的有效途徑。正因?yàn)槿绱?，把人工神?jīng)網(wǎng)絡(luò)引入傳統(tǒng)的PID控制，將這兩者結(jié)合，則可以在一定程度上解決傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器不易在線實(shí)時(shí)整定參數(shù)、難于對(duì)一些復(fù)雜過(guò)程和參數(shù)慢時(shí)變系統(tǒng)進(jìn)行有

3、效控制的不足。一、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種有隱含層的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。如果把具有M個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)和L個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)看成是從M維歐氏空間到L維歐氏空間的非線性映射，則對(duì)于具有一定非線性因數(shù)的工業(yè)過(guò)程被控對(duì)象，采用BP網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述，不失為一種好的選擇。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元多采用S型函數(shù)作為活化函數(shù)，利用其連續(xù)可導(dǎo)性，便于引入最小二乘學(xué)習(xí)算法，即在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過(guò)程中，使網(wǎng)絡(luò)的輸出與期望輸出的誤差邊向后傳播邊修正加權(quán)系數(shù)，以期使誤差均方值最小。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程可分為前向網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和反向誤差傳播——連接加權(quán)系數(shù)修正兩個(gè)部分，這兩個(gè)部分是

4、相繼連續(xù)反復(fù)進(jìn)行的，直至誤差滿(mǎn)足要求。不論學(xué)習(xí)過(guò)程是否已經(jīng)結(jié)束，只要在網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)加入輸入信號(hào)，則這些信號(hào)將一層一層向前傳播；通過(guò)每一層時(shí)要根據(jù)當(dāng)時(shí)的連接加權(quán)系數(shù)和節(jié)點(diǎn)的活化函數(shù)與閾值進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，所得的輸出再繼續(xù)向下一層傳輸。這個(gè)前向網(wǎng)絡(luò)計(jì)算過(guò)程，既是網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過(guò)程的一部分，也是將來(lái)網(wǎng)絡(luò)的工作模式。在學(xué)習(xí)過(guò)程結(jié)束之前，如果前向網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的輸出和期望輸出之間存在誤差，則轉(zhuǎn)入反向傳播，將誤差沿著原來(lái)的連接通路回送，作為修改加權(quán)系數(shù)的依據(jù)，目標(biāo)是使誤差減小。圖1-1二、模擬PID控制系統(tǒng)PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，它以算法簡(jiǎn)單、魯捧性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)

5、而梭廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制中。PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-2所示：圖1-2它主要由PID控制器和被控對(duì)象所組成。而PID控制器則由比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)組成。它的數(shù)學(xué)描述為：式中，為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)：為微分時(shí)間常數(shù)。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的主要控制作用如下：1．比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。2．積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。3．微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)的變化速率，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中

6、引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。PID控制器有如下特點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿(mǎn)足大多數(shù)實(shí)際需要的基本控制器；控制器能適用于多種截然不同的對(duì)象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性，在很多情況下，其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)攝動(dòng)不敏感。三、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器PID控制要取得好的控制效果，就必須對(duì)比例、積分和微分三種控制作用進(jìn)行調(diào)整以形成相互配合又相互制約的關(guān)系，這種關(guān)系是從變化無(wú)窮的非線性組合中找出最佳的關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有任意的非線性表示能力，可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)性能的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)具有最佳組合的PID控制器。圖1-3B

7、P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于其具有逼近任意非線性函數(shù)的能力，而且結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)算法簡(jiǎn)單明確，因此在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制中常采用BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)建立控制器。通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的學(xué)習(xí)，從而可以找到某一最優(yōu)控制律下的參數(shù)?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，控制器由兩部分綴成：①經(jīng)典的控制器：直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制，并且三個(gè)參數(shù)為在線整定；②神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN：根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)于控制器的三個(gè)可調(diào)參數(shù),,。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、調(diào)整權(quán)系數(shù)，從而使其穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制律下的PID控制器參數(shù)。PID的控制算式為：式中，分別為比例、積分、微分系數(shù)。將看為依賴(lài)于系統(tǒng)運(yùn)行狀

8、態(tài)的可調(diào)系數(shù)時(shí)，可將(3.12)式描述為：式中是與等