【摘要】本文首先簡單介紹了傳統(tǒng)PID控制器的原理、結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理與特點(diǎn)，然后介紹了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字式PID控制器的搭建的一種方法。

【關(guān)鍵詞】PID；數(shù)字式；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1.PID控制器的原理及結(jié)構(gòu)

PID控制器就是基于偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）的控制器，是工業(yè)過程控制中歷史最悠久而且生命力最強(qiáng)的控制方式。由于PID控制器的算法相對(duì)簡單，魯棒性強(qiáng)，因此PID控制應(yīng)用很廣泛。根據(jù)國外相關(guān)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)得知，實(shí)際應(yīng)用中約有90%的控制回路采用PID控制器實(shí)現(xiàn)。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，業(yè)界不斷涌現(xiàn)更新的控制方案，但至今PID仍是最重要的控制方式。下面簡要介紹PID控制的結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）比例環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響。

比例環(huán)節(jié)的增益系數(shù)Kp可以即時(shí)的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e（t），一旦偏差產(chǎn)生，則比例環(huán)節(jié)可以立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。由于一般系統(tǒng)均為負(fù)反饋，因此系統(tǒng)偏差將逐漸減小。

Kp的大小決定了比例環(huán)節(jié)作用的強(qiáng)弱。當(dāng)Kp較大時(shí)，比例環(huán)節(jié)作用強(qiáng)，系統(tǒng)的偏差減小快。當(dāng)Kp小時(shí)，則比例環(huán)節(jié)的作用較小。但是當(dāng)Kp過大時(shí)，系統(tǒng)將逐漸趨于不穩(wěn)定，出現(xiàn)超調(diào)過大、系統(tǒng)震蕩甚至發(fā)散的現(xiàn)象。以機(jī)電系統(tǒng)為例，一般超調(diào)量應(yīng)控制在10%～20%，否則機(jī)械系統(tǒng)將受到不可逆的損壞。

（2）積分環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響。

積分環(huán)節(jié)的作用是用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)無差度，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)給定信號(hào)的無靜差跟蹤。

積分環(huán)節(jié)反映了對(duì)偏差的歷史值的積分，只要偏差存在且不為零，則積分值就會(huì)持續(xù)變化。當(dāng)偏差為零后，積分值不再變化，此時(shí)積分調(diào)節(jié)的輸出為恒值，系統(tǒng)亦達(dá)到穩(wěn)態(tài)。根據(jù)表達(dá)式易知，積分環(huán)節(jié)的作用強(qiáng)弱取決于時(shí)間常數(shù)Ti和Kp。此處可認(rèn)為Kp為定值，則積分環(huán)節(jié)的作用強(qiáng)弱僅與Ti有關(guān)。Ti越小，則積分環(huán)節(jié)的作用越強(qiáng)；Ti越大，則積分環(huán)節(jié)的作用越弱。

（3）微分環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響。

微分環(huán)節(jié)反映的是e（t）對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反映了系統(tǒng)偏差的變化率，預(yù)見了系統(tǒng)的變化趨勢，因此可以產(chǎn)生超前的控制作用。由表達(dá)式易知，微分環(huán)節(jié)作用的強(qiáng)弱取決于微分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)Td，Td越大，則微分環(huán)節(jié)作用越強(qiáng)，反之則越弱。

在得到系統(tǒng)的實(shí)際輸出后，可以得出誤差E，有上述推導(dǎo)過程可知，誤差E與各層的權(quán)值和閾值有關(guān)。然后采用牛頓下山法、負(fù)梯度法等優(yōu)化算法求出能夠使E達(dá)到極值的權(quán)值和閾值，從而系統(tǒng)輸出與期望輸出的在某種算式下的差值達(dá)到最小。這便是BP網(wǎng)絡(luò)的反向過程。

3.基于BP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字式PID控制器設(shè)計(jì)

同時(shí)，可以看到BP網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化主要集中在反傳算法的優(yōu)化上，因此在BP網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)的選取上、BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法上的選擇不一定和本文所提的方法完全相同。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行選擇。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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