時間:2013-07-24 17:21:59來æºï¼šçŽ‹åº·å‹
1.引言
PID控制是最早發(fÄ)展起來的控制ç–略之一,按å差的比例ã€ç©åˆ†å’Œå¾®åˆ†é€²è¡ŒæŽ§åˆ¶çš„調(dià o)節(jié)器稱為PID控制器,它是連續(xù)系統(tÇ’ng)ä¸æŠ€è¡“æˆç†Ÿï¼Œæ‡‰ç”¨æœ€å»£æ³›çš„一種調(dià o)節(jié)器。由于其算法簡單,實ç¾(xià n)簡易ã€é¯æ£’性能良好和å¯é æ€§é«˜ï¼Œèƒ½å¤ ?qÅ«)îž†è‰½ç¬ æ´»æƒžî˜½I(yè)å°è±¡é€²è¡Œæœ‰æ•ˆæŽ§åˆ¶ç‰ä¸€ç³»åˆ—優(yÅu)點,尤其é©ç”¨äºŽå¯å»ºç«‹ç²¾ç¢ºæ•¸(shù)叿¨¡åž‹çš„確定性控制系統(tÇ’ng)傳統(tÇ’ng)çš„PID調(dià o)節(jié)器由于其技術比較æˆç†Ÿã€‚在目å‰,å·¥æ¥(yè)控制系統(tÇ’ng)調(dià o)節(jié)ä½¿ç”¨æœ€ç‚ºå»£æ³›çš„ä»æ˜¯å…¸åž‹çš„PID控制,但在實際的情æ³ä¸,當被控å°è±¡ç‚ºéžç·šæ€§æˆ–è€…æ™‚è®Šç‰¹æ€§æ™‚ï¼Œåƒæ•¸(shù)的整定åŠåœ¨ç·šè‡ªé©æ‡‰èª¿(dià o)æ•´å•題就難以解決。隨著被控系統(tÇ’ng)è¶Šä¾†è¶Šå¾©é›œï¼Œäººå€‘å°æŽ§åˆ¶ç³»çµ±(tÇ’ng)çš„è¦æ±‚è¶Šä¾†è¶Šé«˜ï¼Œç‰¹åˆ¥æ˜¯è¦æ±‚控制系統(tÇ’ng)能香應ä¸ç¢ºå®šæ€§ã€æ™‚變的å°è±¡èˆ‡ç’°(huán)境。傳統(tÇ’ng)çš„åŸºäºŽç²¾ç¢ºæ¨¡åž‹çš„æŽ§åˆ¶æ–¹æ³•é›£ä»¥é©æ‡‰è¦æ±‚,ç¾(xià n)åœ¨é—œäºŽæŽ§åˆ¶çš„æ¦‚å¿µä¹Ÿå·²æ›´åŠ å»£æ³›ï¼Œå®ƒè¦æ±‚包括一些決ç–以åŠå¸ç¿’åŠŸèƒ½ã€‚å› ç‚ºBP神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡具有較好的在線監(jiÄn)測能力,而神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡是用大é‡ç°¡å–®çš„神經(jÄ«ng)元連接組æˆçš„復雜網(wÇŽng)絡,具有人腦的功能的基本特å¾,ç‚ºæŽ§åˆ¶é ˜åŸŸçš„ç ”ç©¶é–‹è¾Ÿäº†æ–°é€”å¾‘,尤其é©ç”¨äºŽå¾©é›œéŽç¨‹ã€åƒæ•¸(shù)時變系統(tÇ’ng)神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡。BP神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡與PID控制器的çµ(jié)åˆèƒ½å¤ 起到很好的控制效果。神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡由于具有上述優(yÅu)點而越來越å—到人們的é‡è¦–ã€‚å› æ¤,神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡控制技術很é©åˆæ‡‰ç”¨äºŽå·¥æ¥(yè)控制調(dià o)節(jié)系統(tÇ’ng)ä¸ã€‚
2.BP神經(jīng)網(wǎng)絡
2.1BP神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡çµ(jié)æ§‹
大腦是一部ä¸å°‹å¸¸çš„æ™ºèƒ½æ©Ÿï¼Œå®ƒèƒ½ä»¥é©šäººçš„高速度解釋感覺器官傳來的å«ç³Šä¸æ¸…的信æ¯ã€‚它能覺察到喧鬧房間內(nèi)的竊竊ç§èªžï¼Œèƒ½å¤ è˜åˆ¥å‡ºå…‰ç·šæš—淡的胡åŒä¸çš„一張é¢å”,更能通éŽä¸æ–·åœ°å¸ç¿’而產(chÇŽn)生å‰å¤§çš„創(chuà ng)é€ åŠ›ã€‚æ‰€è¬‚ç¥žç¶“(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)路系統(tÇ’ng)是利用工程技術手段模擬人腦神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡的çµ(jié)構和功能的一種技術系統(tÇ’ng),它是一種大è¦(guÄ«)模并行的éžç·šæ€§å‹•力å¸ç³»çµ±(tÇ’ng)ã€‚åš´æ ¼åœ°è¬›ç¥žç¶“(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡應該稱為人工神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡,為了簡化起見,一般çœç•¥äººå·¥äºŒå—直接稱神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡,å¯ç°¡è¨˜ç‚ºNN(NeuralNetwork)。由于神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡具有信æ¯çš„分布å˜å„²ã€å¹¶è¡Œè™•ç†ä»¥åŠè‡ªå¸ç¿’ç‰å„ª(yÅu)點,所以它在信æ¯è™•ç†ã€æ¨¡å¼è˜åˆ¥ï¼Œæ™ºèƒ½æŽ§åˆ¶ç‰é ˜åŸŸæœ‰è‘—å»£é—Šçš„æ‡‰ç”¨å‰æ™¯ã€‚人工神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)çµ¡çš„è‘—çœ¼é»žä¸æ˜¯åˆ©ç”¨ç‰©ç†å™¨ä»¶ä¾†å®Œæ•´çš„復制生物體ä¸ç´°èƒžç¶²(wÇŽng)絡,而是采ç´å…¶å¯åˆ©ç”¨çš„部分來解決目å‰è¨ˆç®—機或其它系統(tÇ’ng)ä¸èƒ½è§£æ±ºçš„å•題,如å¸ç¿’ã€è˜åˆ¥ã€æŽ§åˆ¶å’Œå°ˆå®¶ç³»çµ±(tÇ’ng)ç‰ã€‚隨著生物和èªçŸ¥ç§‘å¸çš„發(fÄ)展,人們å°äººè…¦çš„çµ(jié)æ§‹å’ŒèªçŸ¥éŽç¨‹çš„了解越來越深入,促進了人工神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡技術的發(fÄ)展,越來越多的生物特性將被利用到工程ä¸åŽ»ã€‚
圖2-1BP神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡çµ(jié)構圖
BP神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡çµ(jié)構如圖2-1所示。由圖å¯è¦‹ï¼ŒBPç¶²(wÇŽng)絡是一種具有三層或三層以上神經(jÄ«ng)元的神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡,包括輸入層ã€ä¸é–“層和輸出層。上下層之間實ç¾(xià n)全連接,而æ¯å±¤ç¥žç¶“(jÄ«ng)元之間無連接。當一å°å¸ç¿’樣本æä¾›çµ¦ç¶²(wÇŽng)絡åŽç¥žç¶“(jÄ«ng)元的激活值從輸入層經(jÄ«ng)ä¸é–“層å‘輸出層傳æ’,在輸出層的å„神經(jÄ«ng)å…ƒç²å¾—ç¶²(wÇŽng)絡的輸入響應。接下來,按照減少目標輸出與實際輸出之間誤差的方å‘,從輸出層åå‘ç¶“(jÄ«ng)éŽå„ä¸é–“層回到輸入層,從而é€å±¤ä¿®æ£å„連接權值,這種算法稱為“誤差åå‘傳æ’算法”,å³BP算法。隨著這種誤差逆å‘的傳æ’ä¿®æ£ä¸æ–·é€²è¡Œï¼Œç¶²(wÇŽng)絡å°è¼¸å…¥æ¨¡å¼éŸ¿æ‡‰çš„æ£ç¢ºçŽ‡ä¹Ÿä¸æ–·ä¸Šå‡ã€‚與感知器ä¸åŒçš„æ˜¯ï¼Œç”±äºŽèª¤å·®åå‘傳æ’䏿œƒå°å‚³éžå‡½æ•¸(shù)進行求導計算,BPç¶²(wÇŽng)絡的傳éžå‡½æ•¸(shù)è¦æ±‚å¿…é ˆæ˜¯å¯å¾®çš„,所以ä¸èƒ½ä½¿ç”¨æ„ŸçŸ¥å™¨ç¶²(wÇŽng)絡ä¸çš„硬閉值傳éžå‡½æ•¸(shù),常用的有sigmoidåž‹å°æ•¸(shù)ã€æ£åˆ‡å‡½æ•¸(shù)或線性函數(shù)。由于傳éžå‡½æ•¸(shù)是處處å¯å¾®çš„,所以å°BPç¶²(wÇŽng)絡來說,一方é¢ï¼Œæ‰€åŠƒåˆ†çš„å€(qÅ«)域ä¸å†æ˜¯ä¸€å€‹ç·šæ€§åŠƒåˆ†ï¼Œè€Œæ˜¯ç”±ä¸€å€‹éžç·šæ€§è¶…å¹³é¢çµ„æˆçš„å€(qÅ«)域,它是比較平滑的曲é¢ï¼Œå› è€Œå®ƒçš„åˆ†é¡žæ¯”ç·šæ€§åŠƒåˆ†æ›´åŠ ç²¾ç¢ºï¼Œå®¹éŒ¯æ€§ä¹Ÿæ¯”ç·šæ€§åŠƒåˆ†æ›´å¥½;å¦ä¸€æ–¹é¢ï¼Œç¶²(wÇŽng)絡å¯ä»¥åš´æ ¼é‡‡ç”¨æ¢¯åº¦ä¸‹é™æ³•進行å¸ç¿’,權值修æ£çš„è§£æžå¼å分明確。
3BP神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡的PID控制器在æŸäºŒéšŽæŽ§åˆ¶ç³»çµ±(tÇ’ng)ä¸çš„ä»¿çœŸç ”ç©¶
由于計算機技術的高速發(fÄ)展,å¯ä»¥å€ŸåŠ©è¨ˆç®—æ©Ÿå®Œæˆç²å¾—系統(tÇ’ng)時間響應的任務,這就是數(shù)å—仿真。數(shù)å—仿真實質(zhì)ä¸Šæ˜¯æ ¹æ“š(jù)è¢«ç ”ç©¶çš„çœŸå¯¦ç³»çµ±(tÇ’ng)çš„æ¨¡åž‹ï¼Œåˆ©ç”¨è¨ˆç®—æ©Ÿé€²è¡Œå¯¦é©—ç ”ç©¶çš„ä¸€ç¨®æ–¹æ³•ã€‚æœ¬ç« æ‰€é€²è¡Œçš„ä»¿çœŸä¸»è¦æ˜¯è¨ˆç®—機仿真。仿真的主è¦éŽç¨‹æ˜¯:建立模型ã€ä»¿çœŸé‹è¡Œå’Œåˆ†æžç ”ç©¶çµ(jié)果。仿真é‹è¡Œå°±æ˜¯å€ŸåŠ©ä¸€å®šçš„ç®—æ³•ï¼Œç²å¾—系統(tÇ’ng)的有關信æ¯ï¼Œç‰¹åˆ¥æ˜¯ç³»çµ±(tÇ’ng)輸入和輸出響應的變化情æ³ç”±äºŽé€£çºŒ(xù)時間系統(tÇ’ng)和離散系統(tÇ’ng)的數(shù)叿¨¡åž‹ä¸åŒï¼Œä»¿çœŸç®—法也ä¸åŒ;å°äºŽé€£çºŒ(xù)時間系統(tÇ’ng),有ä¸åŒæ±‚解微分方程的數(shù)值計算方法。
已知æŸç³»çµ±(tÇ’ng)的傳éžå‡½æ•¸(shù)為,通éŽPID控制器將系統(tÇ’ng)處于穩(wÄ›n)定狀態(tà i),通éŽMATLAB軟件編程。通éŽå°åƒæ•¸(shù)çš„è¨ç½®å¾—到最終仿真çµ(jié)果。
圖3-3PID誤差動態(tà i)曲線
圖3-4PID控制器輸入和輸出動態(tà i)曲線
圖3-5Kp,Ki,Kdåƒæ•¸(shù)自整定曲線
從上é¢å¹¾å¹…圖,BP神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡PID控制系統(tÇ’ng)在最大超調(dià o)é‡ã€ä¸Šå‡æ™‚é–“ã€èª¿(dià o)節(jié)æ™‚é–“ã€æš«æ…‹(tà i)éŽç¨‹ä¸çš„æŒ¯è•©èŒƒåœç‰æš«æ…‹(tà i)性能上都è¦å„ª(yÅu)于常è¦(guÄ«)PID控制系統(tÇ’ng)。它能使控制系統(tÇ’ng)å„輸出值較好的跟蹤給定值,從而ä¿è‰é«˜ç²¾åº¦ã€é«˜å“質(zhì)的控制輸出。å¯ç•¶æ•¸(shù)叿¨¡åž‹æ”¹è®Šæ™‚,基于傳統(tÇ’ng)PID控制器的輸出值就ä¸èƒ½é”到輸出給定值,也ä¸èƒ½é”到穩(wÄ›n)定。å¯åŸºäºŽBP神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡PID控制器仿真輸出值ä¾èˆŠèƒ½å¤ é”到輸出給定值,并æŒçºŒ(xù)ç©©(wÄ›n)定。
綜上所述,BP神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡PID控制系統(tÇ’ng)優(yÅu)于常è¦(guÄ«)PID控制系統(tÇ’ng)主è¦åœ¨äºŽï¼š
首先,它é”到穩(wÄ›n)å®šçš„éŽæ¸¡éŽç¨‹æ™‚é–“å’Œä¸Šå‡æ™‚é–“çŸã€‚BP神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡PID控制系統(tÇ’ng)é”到穩(wÄ›n)å®šçš„éŽæ¸¡æ™‚å’Œä¸Šå‡æ™‚é–“é é çŸäºŽå¸¸è¦(guÄ«)PID控制系統(tÇ’ng)é”到穩(wÄ›n)å®šçš„éŽæ¸¡éŽç¨‹æ™‚é–“å’Œä¸Šå‡æ™‚間。這樣有利于æé«˜å·¥ä½œæ•ˆçŽ‡ï¼Œç¯€(jié)çœç”¨é›»é‡ï¼Œä¿è‰æ°´è³ª(zhì)锿¨™ã€‚
最åŽï¼Œå®ƒçš„è‡ªé©æ‡‰èƒ½åŠ›å¼·ï¼Œä¸å®¹æ˜“å—到外界環(huán)境變化的干擾。常è¦(guÄ«)PID控制系統(tÇ’ng)在控制一個éŽç¨‹å°è±¡å‰ï¼Œå¿…é ˆè¦æ•´å®šPIDåƒæ•¸(shù),而且在實際ä¸ï¼Œç”±äºŽç³»çµ±(tÇ’ng)åƒæ•¸(shù)ç‰æœƒä¸æ™‚的發(fÄ)生變化,這樣常è¦(guÄ«)PID控制系統(tÇ’ng)很容易發(fÄ)生振蕩,系統(tÇ’ng)很難在較çŸçš„æ™‚間里é”到最佳的控制效果。但是BP神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡PID控制系統(tÇ’ng)由于PIDåƒæ•¸(shù)çš„åœ¨ç·šæ•´å®šï¼Œèƒ½å¤ å¾ˆå¿«é©æ‡‰ç³»çµ±(tÇ’ng)åƒæ•¸(shù)ç‰ç™¼(fÄ)生的變化,從而å¯ä»¥è¼ƒå¥½çš„跟蹤給定值。這些都表明BP神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡PID控制å¯ä»¥æ‡‰ç”¨åˆ°å¾ˆå¤šå·¥ç¨‹æŽ§åˆ¶ä¸ï¼Œå°å¾ˆå¤šç¾(xià n)實生活ä¸çš„æŽ§åˆ¶ç³»çµ±(tÇ’ng)都有很好的控制性能。
4.çµ(jié)è«–
雖然傳統(tÇ’ng)çš„PID控制具有çµ(jié)æ§‹ç°¡å–®ã€ç©©(wÄ›n)定性好ã€å¯é 性高ç‰å„ª(yÅu)點。但是由于傳統(tÇ’ng)çš„PID控制方法本身å˜åœ¨çš„å•題:首先,傳統(tÇ’ng)çš„PID控制ç†è«–是建立在數(shù)叿¨¡åž‹çš„基礎上。被控å°è±¡è‹¥æ²’æœ‰è¶³å¤ ç²¾åº¦çš„æ•¸(shù)叿¨¡åž‹ã€‚并且,傳統(tÇ’ng)çš„PID控制ç†è«–å°éžç·šæ€§ç³»çµ±(tÇ’ng)尚缺ä¹é€šç”¨çš„分æžå’Œè¨è¨ˆæ–¹æ³•。還有,.盡管傳統(tÇ’ng)PIDæŽ§åˆ¶å™¨å…·æœ‰ä¸€å®šçš„é¯æ£’æ€§å’Œé©æ‡‰æ€§ï¼Œä½†æ˜¯å°äºŽå¼·éžç·šæ€§ã€å¿«é€Ÿæ™‚變ä¸ç¢ºå®šæ€§ã€å¼·å¹²æ“¾ç‰ç‰¹æ€§çš„å°è±¡ï¼ŒæŽ§åˆ¶æ•ˆæžœè¼ƒå·®ã€‚這樣就為基于神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡PID控制創(chuà ng)é€ äº†æ¢ä»¶ã€‚å› æ¤ï¼Œå°‡PID控制和BP神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡相çµ(jié)åˆçš„æŽ§åˆ¶ç–ç•¥çš„ç ”ç©¶å€å—å¸è€…關注。比例ã€ç©åˆ†å’Œå¾®åˆ†ç¥žç¶“(jÄ«ng)元組æˆçš„PID神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡具有快速å¸ç¿’能力和良好的性能;神經(jÄ«ng)ç¶²(wÇŽng)絡自整定PIDæŽ§åˆ¶åƒæ•¸(shù)å¯ä»¥åœ¨ç·šæ•´å®šå’Œå„ª(yÅu)åŒ–ï¼Œå…·æœ‰è¼ƒå¼·çš„è‡ªé©æ‡‰èƒ½åŠ›å’Œé¯æ£’æ€§ã€‚èƒ½å¤ æ‡‰ç”¨åˆ°å¾ˆå¤šå·¥ç¨‹æŽ§åˆ¶ç³»çµ±(tÇ’ng)ä¸ã€‚
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