神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前，由于PID結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可通過(guò)調(diào)節(jié)比例積分和微分取得基本滿意的控制性能，廣泛應(yīng)用在電廠的各種控制過(guò)程中。電廠主汽溫被控對(duì)象是一個(gè)大慣性、大遲延、非線性且對(duì)象變化的系統(tǒng)，常規(guī)汽溫控制系統(tǒng)為串級(jí)PID控制或?qū)拔⒎挚刂?當(dāng)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),一般能將主汽溫控制在允許的范圍內(nèi)。但當(dāng)運(yùn)行工況發(fā)生較大變化時(shí),卻很難保證控制品質(zhì)。因此

2、本文研究基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、非線性和不依賴模型等特性實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自整定，充分利用PID和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。本處用一個(gè)多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用反向傳播算法，依據(jù)控制要求實(shí)時(shí)輸出Kp、Ki、Kd，依次作為PID控制器的實(shí)時(shí)參數(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID參數(shù)靠經(jīng)驗(yàn)的人工整定和工程整定，以達(dá)到對(duì)大遲延主氣溫系統(tǒng)的良好控制。對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果表明基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定PID控制具有

3、良好的自適應(yīng)能力和自學(xué)習(xí)能力，對(duì)大遲延和變對(duì)象的系統(tǒng)可取得良好的控制效果。</p><p>　　關(guān)鍵詞：主汽溫，PID，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，MATLAB仿真</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　At present, because PID has a simple structure and can be ad

4、justed proportional 、integral and differential to satisfactory control performance, it is widely used in power plants of various control process. The system of power plant main steam temperature is an large inertia、big t

5、ime-delayed and nonlinear dynamic system. Conventional steam temperature control system adopted cascade PID control or the differential control of lead before. When the unit is stable, these methods will control the stea

6、</p><p>　　KEY WORDS: main steam temperature ，PID ，BP neural network， MATLAB simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　

7、　ABSTRACTII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 選題背景和意義1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1</p><p>　　1.3 立論依據(jù)5</p><p>　　1.4 本文所做的主要工作6</p>&

8、lt;p>　　第二章 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理8</p><p>　　2.1 人工神經(jīng)元模型8</p><p>　　2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)規(guī)則9</p><p>　　2.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方式9</p><p>　　2.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)規(guī)則9</p><p>　　2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及應(yīng)

9、用10</p><p>　　2.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)11</p><p>　　2.4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)11</p><p>　　2.4.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法12</p><p>　　2.5 本章小結(jié)16</p><p>　　第三章 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制17</p><

10、p>　　3.1 PID控制器的離散差分方程17</p><p>　　3.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID整定原理18</p><p>　　3.3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制算法流程22</p><p>　　3.4 本章小結(jié)22</p><p>　　第四章 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制在主汽溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用23</p&g

11、t;<p>　　4.1 主汽溫的控制任務(wù)23</p><p>　　4.2 主汽溫被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性23</p><p>　　4.3 主汽溫控制策略24</p><p>　　4.3.1 主汽溫控制信號(hào)的選擇24</p><p>　　4.3.2 主汽溫控制的兩種策略26</p><p>　　4.4仿

12、真分析27</p><p>　　4.5 本章總結(jié)34</p><p><b>　　結(jié)論與展望35</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)37</b></p><p><b>　　致 謝39</b></p><p><b>

13、　　第一章 緒論 </b></p><p>　　1.1 選題背景和意義</p><p>　　在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,最主要而又最困難的問(wèn)題是如何針對(duì)復(fù)雜、變化及具有不確定性的受控對(duì)象和環(huán)境作出有效的控制決策。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)是建立數(shù)學(xué)模型,以此進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),然而面對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題和工程應(yīng)用對(duì)控制要求的不斷提高,基于數(shù)學(xué)模型的控制理論和方法的局限性日益明顯。無(wú)模型控制

14、能有效提高控制系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性,因此,走向無(wú)模型控制是自動(dòng)控制發(fā)展的另一個(gè)重要方向。</p><p>　　在1943年，麥卡洛克和皮茨首次提出了腦模型，其最初動(dòng)機(jī)在于模仿生物的神經(jīng)系統(tǒng)。隨著超大規(guī)模集成電路(VLSl)、光電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)己引起更為廣泛的注意。近年來(lái)，基于神經(jīng)元控制的理論和機(jī)理已獲得進(jìn)一步的開發(fā)和應(yīng)用。盡管基于神經(jīng)元的控制能力還比較有限，但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器具有學(xué)習(xí)能力和

15、記憶能力、概括能力、并行處理能力、容錯(cuò)能力等重要特性，仍然有許多基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器被設(shè)計(jì)出來(lái),這類控制器具有并行處理、執(zhí)行速度快、魯棒性好、自適應(yīng)性強(qiáng)和適于應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用在控制領(lǐng)域[1]。</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是一種基本上不依賴于模型的控制方法,它比較適用于那些具有不確定性或高度非線性的控制對(duì)象,并具有較強(qiáng)的適應(yīng)和學(xué)習(xí)功能,它是智能控制的一個(gè)重要分支。對(duì)于自動(dòng)控制來(lái)說(shuō),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有具有自適

16、應(yīng)功能，泛化功能，非線性映射功，高度并行處理功能等幾方面優(yōu)勢(shì)[2]，這使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)今一個(gè)非常熱門的交叉學(xué)科, 廣泛應(yīng)用在電力，化工，機(jī)械等各行各業(yè)，并取得了比較好的控制效果。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)過(guò)程的日益復(fù)雜，經(jīng)典現(xiàn)代控制理論面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，例如被控系統(tǒng)越來(lái)越巨大，存在多種不確定因素，存在難以確定描述的非線性特性，而控制的要求越

17、來(lái)越高(如控制精度、穩(wěn)定性、容錯(cuò)、實(shí)時(shí)性等)，因此人們一直在探索如何使控制系統(tǒng)具有更高的智能，使之能夠適應(yīng)各種控制環(huán)境。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)源于對(duì)人腦神經(jīng)功能的模擬，它的某些類似人的智能特性有可能被用于解決現(xiàn)代控制面臨的一些難題。因此，從20世紀(jì)60年代起，人們就開始研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制中的應(yīng)用了，取得了一定效果。目前，隨著神經(jīng)理論的發(fā)展和新算法的相繼提出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。</p><p>　　從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本模式

18、看,主要有:前饋型、反饋型、自組織型及隨機(jī)型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]。這四種類型各自具有不同的網(wǎng)絡(luò)模型：前饋網(wǎng)絡(luò)中主要有BP網(wǎng)絡(luò)及RBF網(wǎng)絡(luò)；反饋網(wǎng)絡(luò)主要有Hopfield網(wǎng)絡(luò)；自組織網(wǎng)絡(luò)主要有ART網(wǎng)。當(dāng)前，已經(jīng)比較成熟的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型主要有神經(jīng)自校正控制，神經(jīng)PID控制，神經(jīng)模型參考自適應(yīng)控制，神經(jīng)內(nèi)膜控制等等[4]</p><p>　　(1) 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制</p><p>　　神經(jīng)自

19、校正控制結(jié)構(gòu)如圖，它由兩個(gè)回路組成：(1)自校正控制器與被控對(duì)象構(gòu)成的反饋回路；(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器與控制器設(shè)計(jì)，以得到控制器的參數(shù)。這種方案的設(shè)計(jì)思想是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器的計(jì)算估計(jì)能力對(duì)常規(guī)控制器參數(shù)進(jìn)行約束優(yōu)化求解,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)常規(guī)控制器的參數(shù)或結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。方框圖如下[5]：</p><p>　　r u y</

20、p><p>　　圖1-1 神經(jīng)自校正控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　可見，辨識(shí)器與自校正控制器的在線設(shè)計(jì)是自校正控制實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。</p><p>　?。?）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制。</p><p>　　PID控制要取得好的控制效果，就必須通過(guò)調(diào)整好比例、積分和微分三種控制作用在形成控制量中相互配合又相互制約的關(guān)系，這種關(guān)系不一定是簡(jiǎn)單的“線性組合”

21、，從變化無(wú)窮的非線性組合中可以找出最佳的關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具有的任意非線性表示能力，可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)性能的學(xué)習(xí)來(lái)實(shí)現(xiàn)具有最佳組合的PID控制。方框圖如下[6]： </p><p>　　r kp ki kd u y</p><p>　　- e </p><p>　　圖1-2 神經(jīng)P

22、ID控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　對(duì)于一般神經(jīng)PID常采用BP算法，因BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自身學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)調(diào)整，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)。</p><p>　　(3) 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)控制</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)控制 ,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同模型參考

23、自適應(yīng)控制相結(jié)合，就構(gòu)成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)控制，其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和線性系統(tǒng)的模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)是相同的，只是通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)給出被控對(duì)象的辨識(shí)模型。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可分為直接與間接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)控制兩種類型，分別如圖中(a)和(b)所示。間接方式比直接方式中多采用一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器，其余部分完全相同[7]。</p><p><b>　　yp</b></p><

24、p><b>　　r-</b></p><p><b>　　ee</b></p><p><b>　　uy +</b></p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　yp</b><

25、/p><p><b>　　r-</b></p><p><b>　　e</b></p><p><b>　　e-+</b></p><p><b>　　+</b></p><p><b>　　y</b>&l

26、t;/p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖1-3 神經(jīng)模型參考自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　神經(jīng)控制器的權(quán)重修正目標(biāo)是使過(guò)程輸出最后以零誤差跟蹤參數(shù)模型輸出。對(duì)于直接方式，由于未知的非線性對(duì)象處于誤差和神經(jīng)控制器的中間位置，給參數(shù)修正造成困難。為了避免這一問(wèn)題，增加神經(jīng)辨識(shí)器，變?yōu)殚g接方式。</p>

27、<p>　?。?）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)模控制</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)如下圖所示。圖中的神經(jīng)辨識(shí)器用于充分逼近被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型，相當(dāng)于正向模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器不是直接學(xué)習(xí)被控對(duì)象的逆模型，而是間接地學(xué)習(xí)被控對(duì)象的逆動(dòng)態(tài)特性。 </p><p><b>　　D</b></p><p>　　r ++ y<

28、/p><p><b>　　-+</b></p><p><b>　　+</b></p><p><b>　　-</b></p><p>　　圖1-4 神經(jīng)內(nèi)膜控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)中，神經(jīng)辨識(shí)器作為被控對(duì)象的近似模型與實(shí)際對(duì)

29、象并行設(shè)置，它們的差值用于反饋，同期望的給定值之差經(jīng)一線性濾波器處理后，送給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，經(jīng)過(guò)多次訓(xùn)練，它將間接地學(xué)習(xí)對(duì)象的逆動(dòng)態(tài)特性。此時(shí)，系統(tǒng)誤差將趨于零[8]。 </p><p>　?。?）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制</p><p>　　由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以精確描述非線性動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此，可用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)。預(yù)測(cè)控制是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類新型計(jì)算機(jī)控制算法，它利用內(nèi)部模型預(yù)測(cè)被控對(duì)象未

30、來(lái)輸出及其與給定值之差，然后據(jù)此以某種優(yōu)化指標(biāo)計(jì)算當(dāng)前應(yīng)加于被控對(duì)象的控制量，以期使未來(lái)的輸出盡可能地跟蹤給定參考軌線。下面是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的一般方框圖[9]。</p><p><b>　　+u</b></p><p><b>　　+ </b></p><p><b>　　-</b><

31、/p><p><b>　　+</b></p><p>　　圖1-5 神經(jīng)預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　這種算法的基本特征是建立預(yù)測(cè)模型方便，采用滾動(dòng)優(yōu)化策略和采用模型誤差反饋校正，預(yù)測(cè)模型根據(jù)系統(tǒng)的歷史信息和選定的未來(lái)輸入，預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的輸出。根據(jù)預(yù)測(cè)模型的輸出，控制系統(tǒng)采用基于優(yōu)化的控制策略對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。</p>&

32、lt;p>　　(6) 、其他先進(jìn)的神經(jīng)控制</p><p>　　模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制：模糊系統(tǒng)是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理的知識(shí)為基礎(chǔ)，力圖在一個(gè)較高的層次上對(duì)人腦思維的模糊方式進(jìn)行工程化的模擬。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是建立在對(duì)人腦結(jié)構(gòu)和功能的模擬與簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上。由于人腦思維的容錯(cuò)能力源于思維方法上的模糊性以及大腦本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此將兩者綜合運(yùn)用便成為自動(dòng)控制領(lǐng)域的一種自然趨勢(shì)。模糊系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要采用

33、以下綜合方式，既將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為模糊系統(tǒng)中的隸屬函數(shù)、模糊規(guī)則的描述形式[10]。</p><p>　　多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制：一個(gè)普通的多層神經(jīng)控制系統(tǒng)如下圖所示，基本上是一種前饋控制器。該系統(tǒng)存在兩個(gè)控制作用：前饋控制和常規(guī)反饋控制。前饋控制由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，訓(xùn)練目標(biāo)是使期望輸出與受控對(duì)象實(shí)際輸出間的偏差為最小。該誤差作為反饋控制器的輸入。反饋?zhàn)饔门c前饋?zhàn)饔帽环謩e考慮[11]。</p><p&g

34、t;　　r+e+uy</p><p><b>　　-+</b></p><p>　　圖1-6 多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　1.3 立論依據(jù)</b></p><p>　　BP算法就是在模擬生物神經(jīng)元的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上的一種搜索和優(yōu)化算法。對(duì)于人工神經(jīng)

35、網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的信息處理是由神經(jīng)元間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，知識(shí)與信息的存貯表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)元件互相聯(lián)結(jié)分布的物理聯(lián)系，網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練決定于各神經(jīng)元連接權(quán)系數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的信息描述和處理方式，廣泛應(yīng)用在控制領(lǐng)域，其在控制領(lǐng)域的吸引力主要表現(xiàn)在以下幾方面[19]：</p><p>　?。╨）能夠充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系；</p><p>　　（2）能夠?qū)W習(xí)與適應(yīng)嚴(yán)重不確定性

36、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；</p><p>　?。?）所有定量或定性的信息都分布存貯于網(wǎng)絡(luò)的權(quán)中，故人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有很強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性；</p><p>　?。?）采用并行分布處理的方法，使得快速進(jìn)行大量運(yùn)算成為可能。</p><p>　　這些特點(diǎn)都表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在解決高度非線性和嚴(yán)重不確定性系統(tǒng)的控制上有巨大的潛力。而電廠主汽溫是典型的具有大遲延、大慣性、非線性及時(shí)變性的控制

37、系統(tǒng)，大量的文獻(xiàn)資料表明，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)主汽溫進(jìn)行控制是可行且有效的。</p><p>　　而PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，歷史悠久，理論完善，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制過(guò)程，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中往往具有非線性，時(shí)變不確定性，如火電廠的鍋爐主汽溫對(duì)象，因而難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī)PID控制器不能達(dá)到理想的控制效果，在實(shí)際生

38、產(chǎn)過(guò)程中，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良，性能欠佳，對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性很差。因此常規(guī)PID控制的應(yīng)用受到很大的限制和挑戰(zhàn)。那么是否可以把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID結(jié)合在一起，充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)呢，使新算法既有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力又有PID控制的簡(jiǎn)單性呢？?；谝陨戏N種因素，本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，選取應(yīng)用最廣泛的BP算法，與傳統(tǒng)PID控制結(jié)合的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)主汽溫的有效控制，可以說(shuō)這是采用多策略的智能控制與PID結(jié)

39、合實(shí)現(xiàn)主汽溫控制的又一次有益的嘗試與探索。</p><p>　　1.4 本文所做的主要工作</p><p>　　首先，本文對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型，結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)算法作了介紹，并闡述了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，算法. 接著結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制的原理，對(duì)二者進(jìn)行了結(jié)合，采用了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定PID 控制，即把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出當(dāng)做PID的三個(gè)參數(shù)，在一定的準(zhǔn)則函數(shù)下，不斷自動(dòng)調(diào)整這三個(gè)參數(shù)，

40、直到滿足一定的性能指標(biāo)。</p><p>　　緊接著，在主汽溫系統(tǒng)上進(jìn)行仿真分析，鍋爐主汽溫對(duì)象是一個(gè)大遲延、時(shí)變的對(duì)象，在不同的負(fù)荷下有不同的動(dòng)態(tài)特性，因此對(duì)其不同的負(fù)荷均進(jìn)行仿真分析。本文采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)典增量式數(shù)字PID的控制算法，只要主汽溫系統(tǒng)的輸入輸出之差不為0,就不斷調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，進(jìn)而調(diào)整PID的參數(shù)。仿真結(jié)果表明:本文采用的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制有較好的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。<

41、;/p><p><b>　　具體安排如下：</b></p><p><b>　　第一章、緒論</b></p><p>　　簡(jiǎn)單論述了選題的意義和重要性以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于控制的研究現(xiàn)狀，并闡述了論文的理論依據(jù)，說(shuō)明了本論文所采用算法的可行性和必要性。最后介紹了本文所作的主要工作和文章的結(jié)構(gòu)安排。</p><p&

42、gt;　　第二章、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本理論</p><p>　　本章介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)，重點(diǎn)對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和算法進(jìn)行了闡述。</p><p>　　第三章、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定PID控制原理</p><p>　　本章論述了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID自整定控制算法的基本原理，為以后仿真分析打下基礎(chǔ)。</p><p>　　第四章、基于BP神

43、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制在主汽溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　本章首先對(duì)主汽溫的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，對(duì)常見的和改進(jìn)的主汽溫控制策略進(jìn)行了描述和總結(jié)，并對(duì)主汽溫進(jìn)行仿真分析。</p><p>　　最后是結(jié)論與展望,本部分總結(jié)了本論文的成果和不足，提出以后應(yīng)該注意和改進(jìn)的地方，為以后的研究指明方向。</p><p>　　第二章 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理</p>

44、<p>　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN，ArtifieialNeuralNetworks)是對(duì)人腦神經(jīng)系統(tǒng)的模擬而建立起來(lái)的。它是由簡(jiǎn)單信息處理單元(人工神經(jīng)元，簡(jiǎn)稱神經(jīng)元)互聯(lián)組成的網(wǎng)絡(luò)，能夠接受并處理信息。網(wǎng)絡(luò)的信息處理是由處理單元之間的相互作用(連接權(quán))來(lái)實(shí)現(xiàn)的。多年來(lái)，學(xué)者們己經(jīng)建立了多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其中決定它們整體性能的因素主要是:神經(jīng)元(信息處理單元)的特性，神經(jīng)元之間相互連接的形式，為適應(yīng)環(huán)境而改善性能的學(xué)習(xí)規(guī)則等。

45、</p><p>　　2.1 人工神經(jīng)元模型</p><p>　　人腦神經(jīng)元是組成人腦神經(jīng)系統(tǒng)的最基本單元，對(duì)人腦神經(jīng)元進(jìn)行抽象化后得到一種稱為McCulloch一Pitts模型的人工神經(jīng)元，人工神經(jīng)元是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元，從圖2一1中可以看出，它相當(dāng)于一個(gè)多輸入單輸出的非線性闡值器件。</p><p>　　圖2-1人工神經(jīng)元元模型結(jié)構(gòu)</p>&

46、lt;p>　　:神經(jīng)元i的輸出，它可以與其他多個(gè)神經(jīng)元通過(guò)權(quán)值連接。 </p><p>　　:神經(jīng)元i的輸入。 </p><p>　　:神經(jīng)元的連接權(quán)值。

47、 </p><p>　　:神經(jīng)元i的閾值。 </p><p>　　:神經(jīng)元i的非線性輸出函數(shù)。

48、 </p><p>　　該神經(jīng)元的輸出，可用下式描述: </p><p><b>　?。?-1）</b></p

49、><p>　　令 （2-2）</p><p>　　則 （2-3）</p><p>　　根據(jù)活化函數(shù)的不同

50、，人們把人工神經(jīng)元分成以下幾種類型[22]：</p><p>　?。?）分段線性活化函數(shù)：</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　（2）sigmoid活化函數(shù)：</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　?。?）雙曲正切活

51、化函數(shù)：</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　?。?）高斯活化函數(shù)：</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)規(guī)則</p><p>　　2.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方式</p>

52、<p>　　學(xué)習(xí)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要特征之一。學(xué)習(xí)規(guī)則就是修正神經(jīng)元之間連接強(qiáng)度或加權(quán)系數(shù)的算法，使獲得的知識(shí)結(jié)構(gòu)適應(yīng)周圍環(huán)境的變化。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，執(zhí)行學(xué)習(xí)規(guī)則，修正加權(quán)系數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方式主要分為有導(dǎo)師(指導(dǎo)式)學(xué)習(xí)、無(wú)導(dǎo)師(自學(xué)式)學(xué)習(xí)和再勵(lì)學(xué)習(xí)(強(qiáng)化學(xué)習(xí))三種[19]: </p><p>　　（l）有導(dǎo)師學(xué)習(xí):就是在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，有一個(gè)期望的網(wǎng)絡(luò)輸出，學(xué)習(xí)算法根據(jù)給定輸入的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出與期

53、望輸出之間的誤差來(lái)調(diào)整神經(jīng)元的連接強(qiáng)度，即權(quán)值。因此學(xué)習(xí)需要有導(dǎo)師來(lái)提供期望輸出信號(hào)。</p><p>　　(2)無(wú)導(dǎo)師學(xué)習(xí):就是在學(xué)習(xí)過(guò)程中不需要有期望輸出，因而不存在直接的誤差信息。網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)需要建立一個(gè)間接的評(píng)價(jià)函數(shù)，每個(gè)處理單元能夠自適應(yīng)連接權(quán)值，以對(duì)網(wǎng)絡(luò)的某種行為趨向作出評(píng)價(jià)。</p><p>　　(3)再勵(lì)學(xué)習(xí):這種學(xué)習(xí)介于上述兩種情況之間，外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng)輸出結(jié)果只給出評(píng)價(jià)(獎(jiǎng)或

54、罰)而不是給出正確答案，學(xué)習(xí)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)強(qiáng)化那些受獎(jiǎng)勵(lì)的行為來(lái)改善自身性能。</p><p>　　2.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)規(guī)則</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常采用的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)規(guī)則包括以下三種:</p><p>　　(l)誤差糾正學(xué)習(xí)規(guī)則[19]</p><p>　　令是輸入時(shí)神經(jīng)元k在n時(shí)刻的實(shí)際輸出，表示應(yīng)有的輸出(可由訓(xùn)練樣本給出)，則誤差

55、信號(hào)可寫為:</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　誤差糾正學(xué)習(xí)的最終目的是使某一基于的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到要求，以使網(wǎng)絡(luò)中每一輸出單元的實(shí)際輸出在某種統(tǒng)計(jì)意義上逼近應(yīng)有輸出。一旦選定了目標(biāo)函數(shù)形式，誤差糾正學(xué)習(xí)就變成了一個(gè)典型的最優(yōu)化問(wèn)題，最常用的目標(biāo)函數(shù)是均方誤差判據(jù)，定義為誤差平方和的均值:</p><p><

56、b>　　(2-9)</b></p><p>　　其中E為期望算子。上式的前提是被學(xué)習(xí)的過(guò)程是平穩(wěn)的，具體方法可用最優(yōu)梯度下降法。直接用J作為目標(biāo)函數(shù)時(shí)需要知道整個(gè)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性，為解決這一問(wèn)題，通常用J在時(shí)刻n的瞬時(shí)值代替J，即:</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　問(wèn)題變?yōu)榍驟對(duì)權(quán)值w的極小

57、值，據(jù)梯度下降法可得:</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　其中為學(xué)習(xí)步長(zhǎng)，這就是通常所說(shuō)的誤差糾正學(xué)習(xí)規(guī)則。</p><p>　　(2)Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則[13]</p><p>　　由神經(jīng)心理學(xué)家Hebb提出的學(xué)習(xí)規(guī)則可歸納為“當(dāng)某一突觸連接兩端的神經(jīng)元同時(shí)處于激活狀態(tài)(或同為抑制)時(shí)

58、，該連接的強(qiáng)度應(yīng)增加，反之應(yīng)減弱”用數(shù)學(xué)方式可描述為:</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　由于與的相關(guān)成比例，有時(shí)稱為相關(guān)學(xué)習(xí)規(guī)則。</p><p>　　(3)競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)規(guī)則[19]</p><p>　　顧名思義，在競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)各輸出單元互相競(jìng)爭(zhēng)，最后達(dá)到只有一個(gè)最強(qiáng)者激活，最常見的

59、一種情況是輸出神經(jīng)元之間有側(cè)向抑制性連接，這樣原來(lái)輸出單元中如有某一單元較強(qiáng)，則它將獲勝并抑制其它單元，最后只有此強(qiáng)者處于激活狀態(tài)。最常用的競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)規(guī)則可寫為:</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及應(yīng)用</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)[11]:</p><p

60、>　　(1)、分布式存貯信息</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用大量的神經(jīng)元之間的連接及對(duì)各連接權(quán)值的分布來(lái)表示特定的信息，從而使網(wǎng)絡(luò)在局部網(wǎng)絡(luò)受損或輸入信號(hào)因各種原因發(fā)生部分畸變時(shí)，仍能夠保證網(wǎng)絡(luò)的正確輸出，提高網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和魯棒性。</p><p>　　(2)、并行協(xié)同處理信息</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)神經(jīng)元都可以根據(jù)接收到的信息進(jìn)行獨(dú)立的運(yùn)算和

61、處理，并輸出結(jié)果，同一層中的各個(gè)神經(jīng)元的輸出結(jié)果可被同時(shí)計(jì)算出來(lái)。</p><p>　　(3)、信息處理與存儲(chǔ)和二為一</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)神經(jīng)元都兼有信息處理和存儲(chǔ)功能，神經(jīng)元之間連接強(qiáng)度的變化，既反映了對(duì)信息的記憶，同時(shí)又和神經(jīng)元對(duì)激勵(lì)的響應(yīng)一起反映了對(duì)信息的處理。</p><p>　　(4)、對(duì)信息的處理具有自組織、自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，便于聯(lián)想、綜合和

62、推廣</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元之間的連接強(qiáng)度用權(quán)值大小來(lái)表示，這種權(quán)值可以通過(guò)對(duì)訓(xùn)練的學(xué)習(xí)而不斷變化，而且隨著訓(xùn)練樣本量的增加和反復(fù)學(xué)習(xí)，這些神經(jīng)元之間的連接強(qiáng)度會(huì)不斷增加，從而提高神經(jīng)元對(duì)樣本特征的反映靈敏度。正是因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)具有的這些特點(diǎn)，才使它在模式識(shí)別、人工智能、控制工程、信號(hào)處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，相信隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的進(jìn)一步深入，其應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更廣，用途會(huì)更大。</p>

63、<p>　　2.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　20世紀(jì)80年代中期，以Rumelhart和McClelland為首，提出了多層前饋網(wǎng)絡(luò)（MFNN）的反向傳播（BP，back Propagation）的學(xué)習(xí)算法，簡(jiǎn)稱BP算法。</p><p>　　2.4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖：</p><

64、;p><b>　　j</b></p><p>　　i k</p><p>　　圖2-2 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　為網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出，每個(gè)神經(jīng)元用一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示，網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)輸出層和一個(gè)輸入層，隱含層可以是一層也可以是多層。圖中j表示輸入層神經(jīng)元，i表示隱層神經(jīng)元，k表示輸出

65、層神經(jīng)元。已經(jīng)證明BP網(wǎng)絡(luò)能逼近任意非線性函數(shù)，在各個(gè)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。BP網(wǎng)絡(luò)中采用梯度下降法，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連接權(quán)值，以使其誤差均方值最小。學(xué)習(xí)算法有正向傳播和反向傳播組成，在正向傳播中，輸入信號(hào)從輸入層經(jīng)過(guò)隱層傳向輸出層，若輸出層得到期望的輸出，學(xué)習(xí)結(jié)束，否則，轉(zhuǎn)至反向傳播。反向傳播算法是將誤差信號(hào)按照原鏈路反向計(jì)算，由梯度下降法調(diào)整各層神經(jīng)元的權(quán)值，使誤差信號(hào)最小。這兩部分是相

66、繼連續(xù)反復(fù)進(jìn)行的，直到誤差滿足要求。</p><p>　　2.4.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法 </p><p>　　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法主要可以分為兩部分，一是前向傳播算法，就是已知網(wǎng)絡(luò)的輸入和活化函數(shù)求各層的輸出；二是反向傳播算法，即如果輸出不滿足要求就不斷修正權(quán)值。</p><p>　?。?） BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前向傳播算法</p><p>　　

67、設(shè)某BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有m個(gè)輸入、q個(gè)隱含節(jié)點(diǎn)、r個(gè)輸出的三層結(jié)構(gòu)，則BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入為：</p><p>　　j=1,2.......m (2-14)</p><p>　　輸入層節(jié)點(diǎn)的的輸出為 ：</p><p>　　j=1,2.......m （2-15)</p><p>　　隱含層第i個(gè)神經(jīng)元的輸

68、入: </p><p>　　i=1,2......q (2-16)</p><p><b>　　輸出可表達(dá)為 ：</b></p><p>　　i=1,2......q (2-17)</p><p>　　其中為輸入層到隱層加權(quán)系數(shù)；上標(biāo)（1）、（2）、（3）分別代表輸入層、隱含層

69、、輸出層，為隱層活化函數(shù)，這里取為Sigmoid活化函數(shù)[8]。</p><p><b>　　(2-18）</b></p><p>　　輸出層的第個(gè)神經(jīng)元的總輸入為：</p><p>　　k=1,2......r （2-19）</p><p>　　輸出層的第k個(gè)神經(jīng)元的總輸出為 </p>

70、<p>　　k=1,2...... （2-20）</p><p>　　式中，：為隱層到輸出層加權(quán)系數(shù)，為輸出活化函數(shù)。 </p><p>　　以上工作在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，就可以完成了一次前向傳播的計(jì)算。 </p><p>　?。?） BP

71、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播計(jì)算</p><p>　　假設(shè)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理想輸出為，在前向計(jì)算中，若實(shí)際輸出與理想輸出不一致，就要將其誤差信號(hào)從輸出端反向傳播回來(lái)，并在傳播過(guò)程中對(duì)加權(quán)系數(shù)不斷修正，使輸出層神經(jīng)元上得到所需要的期望輸出為止。為了對(duì)加權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，選取目標(biāo)函數(shù)為： </p><p><b>　　（2-21）</b></p><p>　　以誤

72、差函數(shù)E減少最快方向調(diào)整，即使加權(quán)系數(shù)按誤差函數(shù)E的負(fù)梯度方向調(diào)整，使網(wǎng)絡(luò)逐漸收斂。按照梯度下降法，可得到神經(jīng)元j到神經(jīng)元i的t+1次權(quán)系數(shù)調(diào)整值：</p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　由式（2-21）可知，需要變換出E相對(duì)于該式中網(wǎng)絡(luò)此刻實(shí)際輸出關(guān)系，因此</p><p><b>　?。?-23）&

73、lt;/b></p><p><b>　　而其中的</b></p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　　其中的表示節(jié)點(diǎn)i的第j個(gè)輸入。所以</p><p><b>　?。?-25）</b></p><p>　　將（2-25

74、）代入式（2-23），可以得到：</p><p><b>　?。?-26）</b></p><p>　　令 （2-27）</p><p>　　式中為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)對(duì)E的靈敏度。</p><p>　　由式

75、(2-26)和式（2-27）可以得到： </p><p><b>　　（2-28）</b></p><p>　　以下分兩種情況計(jì)算：</p><p>　　若i為輸出層節(jié)點(diǎn)，即i =

76、k</p><p>　　由式(2-21)和（2-27）可得</p><p><b>　?。?-29）</b></p><p><b>　　所以可得：</b></p><p><b>　　（2-30）</b></p><p>　　此時(shí)應(yīng)該按照下列公式進(jìn)行調(diào)

77、整： </p><p><b>　　（2-31）</b></p><p><b>　　式中為學(xué)習(xí)速率。</b></p><p>　　若i不為輸出層神經(jīng)元，即</p><p>　　此時(shí)式（2-27）為</p><p><b>　?。?-32）</b><

78、;/p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　?。?-33）</b></p><p>　　式中是節(jié)點(diǎn)i后邊一層的第個(gè)節(jié)點(diǎn)，是節(jié)點(diǎn)的第j個(gè)輸入。 </p><p><b>　?。?-34）</b></p><p><b>　　

79、當(dāng)i=j時(shí)，</b></p><p>　　將式（2-32）和（2-34）代入（2-28），有</p><p><b>　?。?-35）</b></p><p>　　此時(shí)的權(quán)值調(diào)整公式為：</p><p><b>　?。?-36）</b></p><p>　　通過(guò)（

80、2-31）和（2-36）我們就可以完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播算法。實(shí)現(xiàn)權(quán)值的實(shí)時(shí)調(diào)整。</p><p>　　對(duì)上面的算法流程進(jìn)行總結(jié)我們可以的出下面的算法流程圖：</p><p>　　圖2-3 BP網(wǎng)絡(luò)算法流程圖</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)，其

81、中包括神經(jīng)元模型，學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)規(guī)則等，在了解了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹了本論文要用到的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括其結(jié)構(gòu)，前向和反向傳播算法及實(shí)現(xiàn)步驟。 </p><p>　　第三章 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制</p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器的典型結(jié)構(gòu)主要有兩種，一種是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整定PID控制，即把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出作為PID控制器的比例，積分和微分。另一種是把神

82、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值做為比例，積分和微分。本章將詳細(xì)介紹基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定PID控制算法，即把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出作為PID控制器的比例，積分和微分，然后對(duì)電廠主汽溫系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在Matlab上進(jìn)行仿真。</p><p>　　3.1 PID控制器的離散差分方程</p><p>　　在連續(xù)信號(hào)系統(tǒng)中，PID控制算式的表達(dá)式</p><p><b>　?。?-1

83、）</b></p><p>　　式中，—比例系數(shù)，—積分時(shí)間常數(shù)，—微分時(shí)間常數(shù)。</p><p><b>　　寫成傳遞函數(shù)形式</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　當(dāng)采樣周期較小時(shí)， 可以用求和代替積分，用差商代替微分，即做如下近似變換來(lái)離散化：

84、</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中，k為采樣序號(hào)，k=1，2，…，T為采樣周期。由上式可得離散的PID表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　此式稱為PID的位置算式。位置算式使用不方便，累加偏差不僅要占大量的內(nèi)存空間，

85、而且也不便編寫程序。最好能轉(zhuǎn)換成某種遞推的形式。為此提出了增量式。</p><p>　　所謂增量式PID是指數(shù)字控制器輸出u (k)只是控制量的增量，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，應(yīng)采用增量式PID控制。根據(jù)遞推原理可得</p><p><b>　　（3-5） </b></p><p>　　用式（3-4）減式（3-5），可得增量式PID控制

86、算法 （3-6）</p><p>　　式（3-6）進(jìn)一步可改寫為：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　式中，，，</b></p><p>　　用增量式PID控制算法有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?。?）增量算法不需

87、要累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)； </p><p>　?。?）增量式算法得出的是控制量的增量，誤動(dòng)作影響小；</p><p>　?。?）便于編程序?qū)崿F(xiàn) 。</p><p>　　3.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID整定原理</p><p>　　PID控制要取得好的控制效果，就必須通過(guò)調(diào)整好比例、積分和微分三種控制作用,在形成控制

88、量中相互配合又相互制約的關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)系統(tǒng)性能的學(xué)習(xí)來(lái)實(shí)現(xiàn)具有最佳組合的PID控制。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以建立參數(shù)、、自學(xué)習(xí)的神經(jīng)PID控制。</p><p><b>　　器由兩部分組成：</b></p><p>　?。?）經(jīng)典的PID控制器：直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制，仍然是靠改變?nèi)齻€(gè)參數(shù)、、來(lái)獲得

89、滿意的控制效果。</p><p>　?。?）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，以其達(dá)到某種性能指標(biāo)的最優(yōu)化。采用如圖3-1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即使輸出層神經(jīng)元的輸出狀態(tài)對(duì)應(yīng)于PID控制器的三個(gè)可調(diào)參數(shù)、、，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自身學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)調(diào)整，從而使其穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID的控制器各個(gè)參數(shù)。</p><p>　　采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖

90、所示：</p><p>　　r kp ki kd u y</p><p>　　- e </p><p>　　圖3-1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　上圖中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選如圖3-2的形式，采用三層結(jié)構(gòu)：一個(gè)輸入層，

91、一個(gè)隱含層，一個(gè)輸出層，j表示輸入層節(jié)點(diǎn)，i表示隱層節(jié)點(diǎn)，l表示輸出層節(jié)點(diǎn)。輸入層有m個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，隱含層有q個(gè)隱含節(jié)點(diǎn)，輸出層有3個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)。輸入節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)所選的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)量，如系統(tǒng)不同時(shí)刻的輸入量和輸出量，偏差量等。輸出節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)PID控制器的三個(gè)參數(shù)、、，由于、、不能為負(fù)，所以輸出層神經(jīng)元活化函數(shù)取非負(fù)的Sigmoid函數(shù)。</p><p><b>　　i</b></p>

92、<p><b>　　jl</b></p><p>　　圖3-2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　由圖可見，此處BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層輸出為</p><p>　　j=1,2,3…m (3-8)</p><p><b>　　隱層輸入為：</b><

93、/p><p><b>　　(3-9)</b></p><p><b>　　隱層輸出為：</b></p><p>　　=1,2… (3-10)</p><p>　　式中，為輸入層到隱含層加權(quán)系數(shù)，上標(biāo)（1）、（2）、（3）分別代表輸</p><p>　

94、　入層、隱含層、輸出層，f(x)為正負(fù)對(duì)稱的Sigmoid函數(shù)，即 </p><p><b>　　。</b></p><p>　　最后網(wǎng)絡(luò)輸出層三個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入為</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　最后的輸出層的三個(gè)輸出為 ：</p><p&

95、gt;　　=1,2,3 （3-12）</p><p><b>　　即</b></p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　式中，為隱層到輸出層加權(quán)系數(shù)，輸出層神經(jīng)元活化函數(shù)為 </p><p><b>　　取性能指標(biāo)函數(shù)</b>

96、</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　用梯度下降法修正網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)，并附加一使搜索快速收斂全局極小的慣性項(xiàng)，則有：</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　為學(xué)習(xí)率，為慣性系數(shù)。其中：</p><p><b

97、>　　（3-16）</b></p><p>　　這里需要用到的變量，由于模型可以未知，所以未知，但是可以測(cè)出的相對(duì)變化量，即：</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　也可以近似用符號(hào)函數(shù)：</p><p><b>　?。?-18）</b></p

98、><p>　　取代，由此帶來(lái)計(jì)算上的不精確可以通過(guò)調(diào)整學(xué)習(xí)速率來(lái)補(bǔ)償。這樣做一方面可以簡(jiǎn)化運(yùn)算，另一方面避免了當(dāng)很接近時(shí)導(dǎo)致式（3-16）趨于無(wú)窮。這種替代在算法上是可以的，因?yàn)槭鞘剑?-16）中的一個(gè)乘積因子，他的符號(hào)的正負(fù)決定著權(quán)值變化的方向，而數(shù)值變化的大小只影響權(quán)值變化的速度，但是權(quán)值變化的速度可以通過(guò)學(xué)習(xí)步長(zhǎng)加以調(diào)節(jié)。</p><p><b>　　由式：</b>

99、</p><p><b>　　可得：</b></p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　這樣，可得BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層權(quán)計(jì)算公式為</p><p>　　把（3-18）式代入后得：</p><p><b>　?。?-20）</b>

100、</p><p>　　可令，則上式可寫為：</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　由式（3-15）可確定，由符號(hào)函數(shù)代替，由可得。</p><p>　　同理可得隱含層權(quán)計(jì)算公式為</p><p>　　=1,2,…,

101、 （3-22）</p><p><b>　　令 則：</b></p><p>　　=1,2,…, （3-23）</p><p>　　3.3 基于BP網(wǎng)絡(luò)的PID控制算法流程</p><p>　　基于BP網(wǎng)絡(luò)的PID控制器控制算法歸納如下：</p><p&g

102、t;　?。?）確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即確定輸入層節(jié)點(diǎn)及數(shù)目m、隱含層數(shù)目q，并給出各層權(quán)系數(shù)的初值和、選定學(xué)習(xí)率、慣性系數(shù)；</p><p>　　（2）給定輸入r和期望輸出y；</p><p>　　（3）計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層神經(jīng)元的輸入、輸出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的輸出即為PID控制器的三個(gè)可調(diào)參數(shù)、、； </p><p>　?。?）求目標(biāo)值與實(shí)際值的偏差e,看是否滿足要求；

103、</p><p>　?。?）如不滿足要求，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，在線調(diào)整加權(quán)系數(shù)和，實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整；</p><p>　?。?）置k =k+1，返回到第一步.</p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要是對(duì)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的

104、算法并和PID結(jié)合，推導(dǎo)出該算法下的權(quán)值調(diào)整公式，進(jìn)而通過(guò)調(diào)整權(quán)值，找到合適的PID輸出、、，為下一章的仿真打下了理論基礎(chǔ)。</p><p>　　第四章 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制在主汽溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　4.1 主汽溫的控制任務(wù) </p><p>　　鍋爐的主蒸汽溫度與火電廠的經(jīng)濟(jì)性和安全性有重要的關(guān)系，因此主蒸汽溫度是火電廠的一個(gè)極其重要的

105、參數(shù)。其控制的好壞直接影響到電廠的整個(gè)經(jīng)濟(jì)效益。主蒸汽溫度的控制任務(wù)是：(1)維持主汽溫在允許的范圍之內(nèi)，對(duì)于亞臨界機(jī)組的主汽溫為,長(zhǎng)期運(yùn)行應(yīng)控制在，對(duì)于超臨界及超超臨界主汽溫應(yīng)控制在，長(zhǎng)期運(yùn)行應(yīng)控制在。（2）保護(hù)過(guò)熱器，使其管壁不超過(guò)允許的工作溫度，汽溫過(guò)高，會(huì)燒毀過(guò)熱器的高溫段。汽溫過(guò)低也不行，汽溫每降5度，熱經(jīng)濟(jì)性下降百分之一，汽溫偏低會(huì)使汽機(jī)尾部蒸汽濕度增大甚至帶水，嚴(yán)重影響汽機(jī)的安全運(yùn)行。</p><p&g

106、t;　　4.2 主汽溫被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　火電廠的主汽溫系統(tǒng)如下圖所示：</p><p>　　圖4-1 過(guò)熱氣溫原理圖</p><p>　　影響主汽溫變化的擾動(dòng)因素很多，如蒸汽負(fù)荷、煙氣溫度和流速、火焰中心位置、減溫水量、給水溫度等。主要擾動(dòng)有3個(gè)：蒸汽量擾動(dòng)D，煙氣量擾動(dòng)Q，減溫水量擾動(dòng)W。</p><p>　?。?）

107、、蒸汽量擾動(dòng)下主汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　圖4-2 蒸汽量變化對(duì)主氣溫的影響</p><p>　?。?）、煙氣量擾動(dòng)下主汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　圖 4-3 煙氣量變化對(duì)主氣溫的影響</p><p>　?。?）、減溫水量擾動(dòng)下主汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　圖4-4 減溫水量變化對(duì)

108、主氣溫的影響</p><p>　　4.3 主汽溫控制策略</p><p>　　4.3.1主汽溫控制信號(hào)的選擇</p><p>　　對(duì)于主蒸汽的上述三個(gè)基本擾動(dòng)，其中蒸汽流量的擾動(dòng)由用戶決定，根據(jù)負(fù)荷的多少來(lái)決定所用蒸汽的多少，所以蒸汽流量信號(hào)是不可以調(diào)節(jié)的，因此不能做調(diào)節(jié)信號(hào)。而煙氣量擾動(dòng)可以做調(diào)節(jié)信號(hào)，但是煙氣與燃燒系統(tǒng)有關(guān)，如果用煙氣作為控制信號(hào)，會(huì)影響到燃燒控

109、制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以一般也不采用煙氣控制。常常用減溫水量擾動(dòng)做調(diào)節(jié)信號(hào)，可通過(guò)控制減溫水的多少來(lái)控制主蒸汽溫度，實(shí)踐證明是可以的。</p><p>　　用減溫水給水量作為基本擾動(dòng)來(lái)完成控制，就是用減溫水量作為該系統(tǒng)的輸入，把主汽溫做為輸出，管內(nèi)的蒸汽和管壁可以看做是許許多多的單容對(duì)象的串聯(lián)，因此對(duì)象具有分布參數(shù)特性，且該被控對(duì)象有較大的慣性和遲延。而減溫水出口溫度變化明顯比過(guò)熱汽溫變化要快，常常把這一段作為導(dǎo)前區(qū)，

110、把從減溫器出口到過(guò)熱蒸汽出口這一段叫做惰性區(qū)，在減溫水的擾動(dòng)下，主氣溫的動(dòng)態(tài)特性可表示為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　其中為放大系數(shù)，為時(shí)間常數(shù)，n為階次。其傳遞函數(shù)由兩點(diǎn)法可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。</p><p>　　同理導(dǎo)前區(qū)的傳遞函數(shù)也可以表示為：</p><p><b&g

111、t;　　（4-2）</b></p><p>　　其中為導(dǎo)前區(qū)的放大系數(shù)，為導(dǎo)前區(qū)的時(shí)間常數(shù)，為階次，該傳遞函數(shù)也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)求的。</p><p>　　惰性區(qū)的傳遞函數(shù)也可以表示為</p><p><b>　　（4-3） </b></p><p>　　其中為惰性區(qū)放大系數(shù)，為惰性區(qū)時(shí)間常數(shù)，為階次，該傳遞函

112、數(shù)無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)求出，而是由下式求出：</p><p><b>　　（4-4）</b></p><p><b>　　可得到</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　（4-6）</b></p><

113、p><b>　　（4-7）</b></p><p>　　4.3.2 主汽溫控制的兩種策略</p><p><b>　　策略一：</b></p><p>　　在火電廠中，對(duì)主汽溫的控制有較高的要求，然而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,由于主蒸汽流量、壓力、煙氣溫度和流速等的外擾,以及減溫水內(nèi)擾頻繁且幅度較大,加上對(duì)象模型參數(shù)隨工況參

114、數(shù)(主蒸汽壓力、溫度和流量)的變化而變化,因而難以建立精確的數(shù)學(xué)模型.因此,主汽溫控制是一個(gè)存在大時(shí)滯、時(shí)變性、大干擾,具有不確定性和非線性的復(fù)雜熱工對(duì)象。常規(guī)汽溫控制系統(tǒng)為串級(jí)PID控制。串級(jí)控制系統(tǒng)見下圖：</p><p>　　r + e +</p><p>　　- -</p><p>　　圖4-5

115、主汽溫串級(jí)控制框圖</p><p>　　其中r為主汽溫設(shè)定值，分別為控制系統(tǒng)對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的傳遞函數(shù)，M1,M2分別為副變送器和主變送器傳遞函數(shù)。</p><p><b>　　策略二：</b></p><p>　　傳統(tǒng)的控制都需要人工整定PID，且要求對(duì)象模型精確，而對(duì)于主汽溫被控對(duì)象的模型往往是很難精確得到的，我們利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性特

116、性和不依賴于對(duì)象精確模型的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)主汽溫的控制方案加以改進(jìn)。改進(jìn)后加入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，搭建成基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)，用以完成對(duì)鍋爐主汽溫的控制。該方案如下圖</p><p>　　r kp ki kd </p><p>　　- e </p><p>　　圖4-6主汽溫

117、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制框圖</p><p>　　其中r為主汽溫設(shè)定值，分別為控制系統(tǒng)對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的傳遞函數(shù)，表示變送器的傳遞函數(shù)。在傳統(tǒng)PID的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)在線實(shí)時(shí)輸出PID的比例，積分和微分三個(gè)參數(shù)。 </p><p><b>　　4.4仿真分析</b></p><p>　　采用如圖4-5和圖4-6

118、所示的控制策略，主蒸汽溫度的導(dǎo)前區(qū)數(shù)學(xué)模型為: ；惰性區(qū)數(shù)學(xué)模型為: 。仿真時(shí)我們采用文獻(xiàn)[24]給出的600MW直流鍋爐主汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，見本論文表4-1。</p><p>　　表4-1 600MW直流鍋爐主汽溫對(duì)象動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　其中串級(jí)控制的副控制器采用P控制。=1；主控制器采用PI控制，，?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制方案中，采用PID控制，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取三層神經(jīng)

119、網(wǎng)絡(luò)，有4個(gè)輸入，分別為輸入信號(hào)，輸出，輸入與輸出之差，閾值1。 3個(gè)輸出，隱含層取5個(gè)節(jié)點(diǎn)。學(xué)習(xí)步長(zhǎng)，慣性系數(shù)。對(duì)于惰性區(qū)傳遞函數(shù)我們采用文獻(xiàn)[17][19][24]的近似方法用來(lái)代替。仿真時(shí)把兩個(gè)控制方案加以比較，可以進(jìn)一步說(shuō)明采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的優(yōu)勢(shì)所在。</p><p>　　在負(fù)荷為37%時(shí),導(dǎo)前區(qū)為:，而惰性區(qū)的傳遞函數(shù)為:，其仿真曲線如下：</p><p>　　圖4-7

120、 負(fù)荷為37%時(shí)串級(jí)控制和BP神經(jīng)PID控制下的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　圖中虛線代表串級(jí)控制下的階躍響應(yīng)曲線，實(shí)線代表BP神經(jīng)PID控制下的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　圖4-8 負(fù)荷為37%時(shí)BP神經(jīng)PID控制下的誤差曲線</p><p>　　圖4-9 負(fù)荷為37%時(shí)BP神經(jīng)PID控制下的3個(gè)參數(shù)變化曲線</p><p>