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        基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的兩種PID控制方法研究及仿真

        2017-11-28 08:51:48羅艷芬
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2017年28期
        關(guān)鍵詞:Matlab仿真PID控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

        羅艷芬

        摘 要:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人腦思維方式的數(shù)學(xué)模型。作為智能控制的一個(gè)重要分支,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制為解決復(fù)雜的非線性、不確定、不確知系統(tǒng)的控制問(wèn)題開辟了新途徑。本文研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在PID控制系統(tǒng)中的兩種典型應(yīng)用,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的整定及PID控制信號(hào)的計(jì)算,提高PID控制的性能。最后在MATLAB軟件上進(jìn)行算法仿真,驗(yàn)證了算法的有效性。

        關(guān)鍵詞:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID控制 MATLAB仿真

        中圖分類號(hào):TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2017)10(a)-0158-02

        PID控制器根據(jù)不同的對(duì)象使用不同的PID參數(shù),并且調(diào)整不便,抗干擾能力不強(qiáng)而且超調(diào)大。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和多目標(biāo)控制要求的自學(xué)習(xí)能力、非線性映射能力及優(yōu)良的容錯(cuò)能力和魯棒性,并且具有對(duì)任意非線性函數(shù)逼近的能力,這就可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值自適應(yīng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制信號(hào)的計(jì)算;通過(guò)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)來(lái)實(shí)現(xiàn)具有最佳組合的kp、ki、kd輸出,實(shí)現(xiàn)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的最佳PID控制。

        1 基于PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的控制方法

        1.1 基于PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        其中,Yd(k)是控制量的控制目標(biāo),Y(k)是控制量的當(dāng)前值,U(k)是神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)計(jì)算得到的控制信號(hào),Wi是網(wǎng)絡(luò)權(quán)值,從中可以看到神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)三層前向神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為2-3-1,隱含層包含比例元P、積分元I和微分元D三個(gè)神經(jīng)元。設(shè)隱含層三個(gè)輸出分別為x1(k)、x2(k)、x3(k)。其中:令e(k)=Yd(k)-Y(k),x1(k)=e(k),x2(k)=e(k)-e(k-1),x3(k)=Δ2e(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2)。

        (1-1)

        (1-2)

        W1(k)=W1(K-1)+ηpe(k)U(k)(e(k)+Δe(k))

        W2(k)=W2(K-1)+ηIe(k)U(k)(e(k)+Δe(k))

        W3(k-1)+ηDe(k)U(k)(e(k)+Δe(k)) (1-3)

        其中,Δe(k)=e(k)-e(k-1),ηp、ηI、ηD分別為比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率。

        1.2 基于PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的控制方法仿真

        被控對(duì)象為Y(k)=0.8×sinY(k-1)+1.2U(k-1),輸入指令為一正弦信號(hào):Yd(K)=sin(πk),采樣時(shí)間為1ms,比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率分別為:ηp=0.4、ηI=0.35、ηD=0.4,采用PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制方法對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制,在MATLAB中得到如下仿真結(jié)果。

        2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制方法

        2.1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層神經(jīng)元的輸出狀態(tài)對(duì)應(yīng)PID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)、加權(quán)系數(shù)調(diào)整,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出對(duì)應(yīng)某種最優(yōu)控制律下的PID控制參數(shù)。PID控制器的輸入變量分別為:x1(k)=e(k),x2(k)=e(k)-e(k-1),x3(k)=Δ2e(k)-2e(k-1)+e(k-2)

        其中e(K)為控制系統(tǒng)的誤差,即e(K)=Yd(K)-Y(K)。

        Yd(K)為Y(K)期望輸出,為實(shí)際輸出。

        該控制器的控制算法如下:

        (1)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)的確定,即確定輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)M和中間層節(jié)點(diǎn)數(shù)Q,并對(duì)各層突觸權(quán)值(0),(0),學(xué)習(xí)率和動(dòng)量因子進(jìn)行賦初值,k=1。

        (2)采樣得到Y(jié)d(k)和Y(k),計(jì)算此時(shí)刻的誤差e(k)=Yd(k)-Y(k)。

        (3)計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層神經(jīng)元的輸入和輸出,輸出層的輸出即為PID控制器的三個(gè)可調(diào)參數(shù),并計(jì)算控制器的輸出U(k)。

        (4)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí),在線調(diào)整突觸權(quán)值和,實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整。

        (5)如果誤差滿足期望值,結(jié)束循環(huán),否則置k=k+1,返回步驟(2),直到滿足要求為止。

        2.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制方法仿真

        被控對(duì)象為Y(k)=0.8×sinY(k-1)+1.2U(k-1),輸入指令為一正弦信號(hào):Yd(K)=sin(πk),學(xué)習(xí)率為0.20,動(dòng)量因子為0.05,網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值可以人為設(shè)定,也可以為隨機(jī)數(shù)。采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制方法對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制,并利用MATLAB進(jìn)行仿真,得到如下仿真結(jié)果。

        3 結(jié)語(yǔ)

        經(jīng)過(guò)MATLAB仿真,證實(shí)了上述兩種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制方法的有效性,能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象實(shí)現(xiàn)有效控制,達(dá)到輸出信號(hào)和期望信號(hào)之間的較好跟蹤。其中,基于PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的控制方法的原理是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值自適應(yīng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制信號(hào)的計(jì)算,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接輸出對(duì)被控對(duì)象的控制信號(hào)。而基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制方法原理是通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)調(diào)整,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出對(duì)應(yīng)某種最優(yōu)控制律下的PID控制參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制參數(shù)的優(yōu)化整定。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 邱東強(qiáng),涂亞慶.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的現(xiàn)狀與展望[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2001(5):1-7.

        [2] 舒懷林.PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)多變量控制系統(tǒng)分析[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),1999(1):105-111.endprint

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