莊麗艷

摘 要：在智能計(jì)算中，非線性系統(tǒng)是智能計(jì)算生產(chǎn)系統(tǒng)中重要的組成部分。隨著生產(chǎn)水平以及規(guī)模的不斷提升，其生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也逐漸提升。同時(shí)非線性的特性也越來(lái)越多樣化，非線性系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注與青睞，但從目前的使用情況來(lái)看，簡(jiǎn)單的非線性已無(wú)法滿足當(dāng)下智能計(jì)算的生產(chǎn)需求，因此，對(duì)智能計(jì)算的非線性系統(tǒng)識(shí)別算法進(jìn)行進(jìn)一步研究十分重要。該文主要對(duì)智能計(jì)算的非線性系統(tǒng)辨識(shí)算法研究及其應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述，以便對(duì)智能計(jì)算的非線性系統(tǒng)辨識(shí)帶來(lái)一定的啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：智能計(jì)算 非線性系統(tǒng) 辨識(shí)算法 研究應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）09（b）-0060-02

在智能計(jì)算的非線性系統(tǒng)辨識(shí)算法中，主要采用模塊化非線性模型，因?yàn)槠洳粌H內(nèi)部連接方便，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是使用最多且最普遍的一種模型。其所包括的模型類型有四種，即W-H模型、H-W模型、W模型和H模型。由于熱工系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜性以及規(guī)模巨大性，其生產(chǎn)過(guò)程中需采用多樣化的非線性系統(tǒng)。因此在熱工系統(tǒng)中，一定要對(duì)檢測(cè)以及執(zhí)行變送器進(jìn)行充分研究，確保其非線性特性與熱工系統(tǒng)的生產(chǎn)需求相符合。

1 非線性系統(tǒng)中執(zhí)行器的基本概況

在非線性系統(tǒng)中，執(zhí)行器主要包括兩種，一種是控制機(jī)構(gòu)，另一種是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在執(zhí)行器中，控制機(jī)構(gòu)一般包括調(diào)節(jié)閥、截止閥等，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)，熱工系統(tǒng)的執(zhí)行器主要使用方法如表1所示。

2 非線性系統(tǒng)辨識(shí)概述

2.1 非線性系統(tǒng)辨識(shí)的必要性

工業(yè)企業(yè)是推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心力量，也是推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，工業(yè)企業(yè)想要發(fā)展，其生產(chǎn)系統(tǒng)必須滿足經(jīng)濟(jì)性與安全性要求。但是由于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，想要提升工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)控制的有效性，最主要的方法就是充分研究非線性系統(tǒng)的辨識(shí)性。辨識(shí)技術(shù)可幫助人們?cè)诒硎霰谎芯繉?duì)象時(shí)，盡可能準(zhǔn)確定位其之間的定量關(guān)系，只有企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)與智能計(jì)算的辨識(shí)系統(tǒng)需求相符合，才能實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與安全性。

2.2 非線性系統(tǒng)辨識(shí)的定義

系統(tǒng)辨識(shí)又稱為系統(tǒng)同定和系統(tǒng)識(shí)別，《中國(guó)大百科全書(shū)》對(duì)系統(tǒng)辨識(shí)的解釋為根據(jù)系統(tǒng)輸入或輸出時(shí)間函數(shù)，確定系統(tǒng)行為的數(shù)學(xué)模型，是現(xiàn)代控制理論的一個(gè)分支。辨識(shí)是一種實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的建模方法，即系統(tǒng)辨識(shí)主要研究怎樣利用對(duì)位置系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或在線運(yùn)行數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)也是在輸入或輸出數(shù)據(jù)中提取被研究對(duì)象數(shù)學(xué)模型的一種統(tǒng)計(jì)方法。

2.3 非線性系統(tǒng)辨識(shí)的應(yīng)用

非線性系統(tǒng)辨識(shí)的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾方面。（1）進(jìn)行預(yù)報(bào)。準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)對(duì)企業(yè)發(fā)展具有非常重要的意義，其有利于企業(yè)制定科學(xué)、合理的決策方案；（2）進(jìn)行規(guī)劃。正確的模型可為正確的規(guī)劃提供最優(yōu)規(guī)劃方案，繼而促進(jìn)工業(yè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展；（3）進(jìn)行仿真研究；有了模型，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，從而制定可行策略；（4）進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程的故障診斷。若模型參數(shù)發(fā)生變化，則表明生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)故障或變化；（5）進(jìn)行控制。有了數(shù)學(xué)模型，可對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)控制。

此外系統(tǒng)辨識(shí)的三要素主要包括：數(shù)據(jù)、模型、準(zhǔn)則。其中數(shù)據(jù)主要是指數(shù)據(jù)的輸入和輸出，同時(shí)其也是辨識(shí)的基礎(chǔ)；模型有靜態(tài)模型、動(dòng)態(tài)模型、線性模型以及非線性模型之分；準(zhǔn)則主要包括等價(jià)準(zhǔn)則、輸出誤差準(zhǔn)則、輸入誤差準(zhǔn)則、廣義誤差準(zhǔn)則四種[1]。

3 樣條函數(shù)H模型辨識(shí)算法的研究與應(yīng)用

在工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，其智能計(jì)算系統(tǒng)具有一定的非線特性，隨著企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，智能計(jì)算的復(fù)雜性也逐漸增加。因此對(duì)其辨識(shí)算法進(jìn)行優(yōu)化成為了促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首要條件與必要前提。在智能計(jì)算的非線性系統(tǒng)辨識(shí)算法中，樣條函數(shù)H模型辨識(shí)算法最為常用。樣條函數(shù)H模型辨識(shí)算法模型圖如圖1所示。

樣條函數(shù)模型差分方程為：

在此公式中，線性部分為

從目前工業(yè)企業(yè)智能計(jì)算的情況來(lái)看，H模型在企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的運(yùn)用越來(lái)越多，且具有較強(qiáng)的使用性。樣條函數(shù)H模型不僅可提升非線性系統(tǒng)辨識(shí)效率，而且計(jì)算機(jī)對(duì)其比較容易識(shí)別[2]。由于樣條函數(shù)其本身就是分段函數(shù)，因此，用其進(jìn)行建模，與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)的需求更加接近。此外，在數(shù)據(jù)比較多時(shí)，可采用K均值算法，這樣不僅可減少辨識(shí)參數(shù)，還可大幅度提升辨識(shí)效率。

4 量子粒子群H模型辨識(shí)算法的研究與應(yīng)用

量子粒子群H模型，辨識(shí)算法是系統(tǒng)辨識(shí)研究中重要的組成部分，同時(shí)也是最常用的優(yōu)化工具。但從以往非線性辨識(shí)系統(tǒng)的使用情況來(lái)看，其仍然存在較多的不足與缺陷，如收斂慢等。為解決此問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)專家對(duì)其進(jìn)行了全面改進(jìn)，如后來(lái)的自適應(yīng)變異法、雜交PSO算法等，對(duì)其收斂慢具有一定的改進(jìn)作用。PSO算法是一種比較常用的方法，其主要采用粒子位置，擴(kuò)展算法實(shí)現(xiàn)粒子移動(dòng)，然后根據(jù)粒子的移動(dòng)情況搜索最佳位置的粒子，對(duì)粒子位置進(jìn)行變異操作，實(shí)現(xiàn)算法的收斂速度[3]。

粒子狀態(tài)更新規(guī)則如下所示：

其中

在POS算法中，增加種群的多樣性，可避免收斂早熟，由量子非門實(shí)現(xiàn)的變異操作過(guò)程為：

其中變異概率是pm，粒子隨機(jī)數(shù)為rnd，如果pm>rndi，隨機(jī)選擇[D/2]量子位，對(duì)概率富進(jìn)行對(duì)換，粒子自身角度和位置不變[4-5]。其辨識(shí)算法的步驟為（1）根據(jù)POS算法循環(huán)，進(jìn)行群體初始值設(shè)定；（2）計(jì)算EA值，執(zhí)行解空變換，求出循環(huán)最優(yōu)值；（3）采用旋轉(zhuǎn)門，進(jìn)行量子更新；（4）計(jì)算粒子異變概率；（5）對(duì)量子群法進(jìn)行判斷，若滿足則算法結(jié)束，否則對(duì)2、4步進(jìn)行重復(fù)，直到滿足[6-7]。

5 網(wǎng)絡(luò)化W模型辨識(shí)算法的研究與應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)化W模型，是一種典型的非線性模型，同時(shí)也是辨識(shí)系統(tǒng)運(yùn)用最多的模型，本文主要采用兩種網(wǎng)絡(luò)模型，表述W模型的非線性，即RBF、BP[8-9]。網(wǎng)絡(luò)化W模型差分方程表示為：

其中n和m分別為此公式A（q-1）和B（q-1）多項(xiàng)式。BP網(wǎng)絡(luò)模型具有較強(qiáng)的映射功能，其主要運(yùn)用動(dòng)量項(xiàng)，來(lái)提升模型的速度，此外為了進(jìn)一步確保模型的穩(wěn)定性與速度，BP算法在進(jìn)行模型訓(xùn)練時(shí)應(yīng)遵守以下公式，

其中y（k）、yr（k）表示網(wǎng)絡(luò)W模型的輸出值和第k個(gè)樣本的真值。為加強(qiáng)PB算法的速度，在修正權(quán)值時(shí)引入動(dòng)量項(xiàng)算法為：

其中k時(shí)刻的負(fù)梯度為D（k），動(dòng)量系數(shù)為：

RBF網(wǎng)絡(luò)W模型其 靜態(tài)RBF系統(tǒng)的輸入是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的輸出，網(wǎng)絡(luò)W模型的輸出是RBF系統(tǒng)輸出。

RBF線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)輸入公式為：

RBF線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)輸出公式為：

通過(guò)采用RBF和PB對(duì)網(wǎng)絡(luò)W模型進(jìn)行優(yōu)化，其對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)具有良好的辨識(shí)度和泛化能力，特別是使用于企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的辨識(shí)。辨識(shí)就是在輸入和輸出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定所測(cè)系統(tǒng)的模型[10-11]。

6 量子粒子群H-W模型辨識(shí)算法的研究于應(yīng)用

在非線性模型中，量子粒子群H-W模型，量子粒子群模型主要有兩種形式，即多項(xiàng)式H-W、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)H-W。該文主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)化H-W進(jìn)行充分研究。網(wǎng)絡(luò)化H-W差分方程為：

線性部分：

其中m和n的多項(xiàng)式為B（Z-1）和A（Z-1），系統(tǒng)延時(shí)表示為d。在進(jìn)行量子粒子群H-W模型辨識(shí)中。量子粒子群H-W模型辨識(shí)算法應(yīng)用，可根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)的輸出和輸入變化進(jìn)行預(yù)算，此外還可通過(guò)最小均方誤差，對(duì)量子粒子群H-W模型的系數(shù)進(jìn)行糾正，然后根據(jù)算法求出該模型的最優(yōu)參數(shù)，模型的結(jié)構(gòu)要合理，輸入信號(hào)必須是持續(xù)激勵(lì)的，同時(shí)數(shù)據(jù)還要充足，辨識(shí)模型參數(shù)的個(gè)數(shù)應(yīng)盡可能少，以最簡(jiǎn)單的模型表述所描述的對(duì)象特征。量子粒子群H-W模型其不僅應(yīng)用廣泛，且適用性比較強(qiáng)，可大幅度滿足生產(chǎn)系統(tǒng)的需求[12]。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在實(shí)際生產(chǎn)中，采用智能計(jì)算的非線性系統(tǒng)識(shí)別算法，可大幅度提升生產(chǎn)力。本文主要以生產(chǎn)系統(tǒng)的構(gòu)成為主要出發(fā)點(diǎn)，對(duì)智能計(jì)算的非線性系統(tǒng)辨識(shí)算法進(jìn)行充分研究，采用的研究方法是非線性模塊化模型。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中傳感器以及執(zhí)行器的研究，得出在智能計(jì)算的非線性系統(tǒng)辨識(shí)算法中采用模塊化模型的重要性，其可有效滿足非線性系統(tǒng)的辨識(shí)算法。在以后智能計(jì)算的非線性系統(tǒng)辨識(shí)算法的研究中，應(yīng)對(duì)模塊建模以及群體智能算法進(jìn)行充分研究，以便對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化。

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