神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前，由于PID具有結(jié)構(gòu)簡單，可通過調(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程中。電廠主汽溫的被控對象是一個大慣性大遲延非線性且對象變化的系統(tǒng)。常規(guī)汽溫控制系統(tǒng)為串級PID控制或?qū)拔⒎挚刂?當(dāng)機組穩(wěn)定運行時,一般能將主汽溫控制在允許的范圍內(nèi)。但當(dāng)運行工況發(fā)生較大變化時,卻很難保證控制品質(zhì)。因

2、此本文研究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。本處用一個多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用反向傳播算法依據(jù)控制要求實時輸出Kp、Ki、Kd，依次作為PID控制器的實時參數(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID參數(shù)靠經(jīng)驗的人工整定和工程整定，以達到對大遲延主氣溫系統(tǒng)的良好控制。對這樣一個系統(tǒng)在MATLAB平臺上進行仿真研究，，仿真結(jié)果表明基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定PID控制具有良

3、好的自適應(yīng)能力和自學(xué)習(xí)能力，對大遲延和變對象的系統(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 adj

4、usted 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 tim

5、e-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, general will allow the steam tempera&

6、lt;/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、p>　　1.5 本論文的章節(jié)安排6</p><p>　　第二章 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理和應(yīng)用7</p><p>　　2.1 MP模型7</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8</p><p>　　2.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方式8</p><p>　　2.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)規(guī)則9</

9、p><p>　　2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點及應(yīng)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)算法11</p><p>　　2.4.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前向傳播算法12</p><p>

10、;　　2.4.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播計算12</p><p>　　第三章 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制15</p><p>　　3.1 PID控制器的離散差分方程15</p><p>　　3.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID整定原理16</p><p>　　3.3 基于BP網(wǎng)絡(luò)的PID控制器控制的算法流程20</p>

11、;<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><p>　　4.1 鍋爐主汽溫的特點23</p><p>　　4.1.1 主汽溫的控制任務(wù)23</p><p>　　4.1.2 主汽溫控制對象的動態(tài)特性23</p><p>　　4.2 主汽溫的數(shù)學(xué)模型25</p>

12、<p>　　4.2.1 主汽溫控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號的選擇25</p><p>　　4.2.2 減溫水?dāng)_動下主汽溫的數(shù)學(xué)模型25</p><p>　　4.3 主汽溫控制方法27</p><p>　　4.4 主汽溫基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制Matlab仿真28</p><p>　　4.5 仿真結(jié)果分析37</p&g

13、t;<p><b>　　結(jié)論與展望38</b></p><p>　　參 考 文 獻40</p><p>　　附 錄 A42</p><p><b>　　致 謝45</b></p><p><b>　　第一章 緒論 </b></p>

14、<p>　　1.1 選題背景和意義</p><p>　　在控制系統(tǒng)設(shè)計中,最主要而又最困難的問題是如何針對復(fù)雜、變化及具有不確定性的受控對象和環(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,以此進行控制系統(tǒng)設(shè)計,然而面對工程實際問題和工程應(yīng)用對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。無模型控制能有效提高控制系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性,因此,走向無模型控制是自

15、動控制發(fā)展的另一個重要方向。</p><p>　　在1943年，麥卡洛克和皮茨首次提出了腦模型，其最初動機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)和計算機技術(shù)的發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)己引起更為廣泛的注意。近年來，基于神經(jīng)元控制的理論和機理已獲得進一步的開發(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)能力和記憶能力、概括能力、并行處理能力、容錯能力等重要特

16、性，仍然有許多基于ANN的控制器被設(shè)計出來,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)性強和適于應(yīng)用等優(yōu)點，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象,并具有較強的適應(yīng)和學(xué)習(xí)功能,它是智能控制的一個重要分支。對于自動控制來說,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有具有自適應(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

17、優(yōu)勢〔2〕，這使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)今一個非常熱門的交叉學(xué)科, 廣泛應(yīng)用在電力，化工，機械等各行各業(yè)，并取得了比較好的控制效果。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)過程的日益復(fù)雜，經(jīng)典現(xiàn)代控制理論面臨嚴峻挑戰(zhàn)，例如被控系統(tǒng)越來越巨大，存在多種不確定因素，存在難以確定描述的非線性特性，而控制的要求越來越高(如控制精度、穩(wěn)定性、容錯、實時性等)，因此人們一

18、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)用越來越廣泛。</p><p>　　從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本模式看,主要有:前饋型、反饋型、自組織型及隨機型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)〔3

19、〕。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Adaline、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)自校正控制結(jié)構(gòu)如圖，它由兩個回路組成：(1

20、)自校正控制器與被控對象構(gòu)成的反饋回路；(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器與控制器設(shè)計，以得到控制器的參數(shù)。這種方案的設(shè)計思想是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器的計算估計能力對常規(guī)控制器參數(shù)進行約束優(yōu)化求解,從而實現(xiàn)對常規(guī)控制器的參數(shù)或結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。方框圖如下[5]：</p><p>　　圖1-1 神經(jīng)自校正控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　可見，辨識器與自校正控制器的在線設(shè)計是自校正控制實現(xiàn)的關(guān)鍵。</p>

21、;<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)系不一定是簡單的“線性組合”，從變化無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，可以通過對系統(tǒng)性能的學(xué)習(xí)來實現(xiàn)具有最佳組合的PID控制。方框圖如下[6]：</p><p

22、>　　圖1-2 神經(jīng)PID控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　對于一般神經(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)算法簡單明確。通過神經(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)

23、控制 ,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同模型參考自適應(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，只是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)給出被控對象的辨識模型。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神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器，其余部分完全相同[7]。</p><p>　　圖1-3 神經(jīng)模型參考自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)圖<

24、/p><p>　　NN控制器的權(quán)重修正目標(biāo)是使過程輸出最后以零誤差跟蹤參數(shù)模型輸出。對于直接方式，由于未知的非線性對象處于誤差和NN控制器的中間位置，給參數(shù)修正造成困難。為了避免這一問題，增加NN辨識器，變?yōu)殚g接方式</p><p>　?。?）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂?lt;/p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)如下圖所示。NNC稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，NNI稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)估計器。

25、圖中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)估計器NNI用于充分逼近被控對象的動態(tài)模型，相當(dāng)于正向模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器NNC不是直接學(xué)習(xí)被控對象的逆模型，而是間接地學(xué)習(xí)被控對象的逆動態(tài)特性，這樣就回避了要估計y(K十1)對u(k)求偏導(dǎo)而造成的困難。</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，NNI狀態(tài)估計器作為被控對象的近似模型與實際對象并行設(shè)置，它們的差值用

26、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NNC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，經(jīng)過多次訓(xùn)練，它將間接地學(xué)習(xí)對象的逆動態(tài)特性。此時，系統(tǒng)誤差將趨于零[8]。 </p><p>　　（5）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制</p><p>　　由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以精確描述非線性動態(tài)過程，因此，可用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計預(yù)測控制系統(tǒng)。預(yù)測控制是近年來發(fā)展起來的一類新型計算機控制算法，它利用內(nèi)部模型預(yù)測被控對象未來輸出及其與給定值

27、之差，然后據(jù)此以某種優(yōu)化指標(biāo)計算當(dāng)前應(yīng)加于被控對象的控制量，以期使未來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)測控制系統(tǒng)的一般方框圖[9]。</p><p>　　圖1-5 神經(jīng)預(yù)測控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　這種算法的基本特征是建立預(yù)測模型方便，采用滾動優(yōu)化策略和采用模型誤差反饋校正，預(yù)測模型根據(jù)系統(tǒng)的歷史信息和選定的未來輸入，預(yù)測系統(tǒng)未來的輸出。 根據(jù)預(yù)測模型的輸出，控

28、制系統(tǒng)采用基于優(yōu)化的控制策略對被控對象進行控制。</p><p>　　(6) 、其他先進的神經(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、模糊語言變量及模糊邏輯推理的知識為基礎(chǔ)，力圖在一個較高的層次上對人腦思維的模糊方式進行工程化的模擬。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是建立在對人腦結(jié)構(gòu)和功能的模擬與簡化的基礎(chǔ)上。由于人腦思維的容錯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，因此

29、將兩者綜合運用便成為自動控制領(lǐng)域的一種自然趨勢。模糊系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要采用以下綜合方式，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)實現(xiàn)，訓(xùn)練目標(biāo)是使期望輸出與受控對象實際輸出間的偏差為最小。該誤差作為反饋控制器的輸入。反

30、饋作用與前饋作用被分別考慮[11]。</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)上建立起來的在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上的一種搜索和優(yōu)化算法。對于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的信息處理是由神經(jīng)元間的相互作用來實現(xiàn)，知識與信息的存貯表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)元件互相

31、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)的動態(tài)調(diào)整過程。ANN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：</p><p>　?。╨）能夠充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系;</p><p>　?。?）能夠?qū)W習(xí)與適應(yīng)嚴重不確定性系統(tǒng)的動態(tài)特性;</p><p>　?。?）所有定量或定性的信息都分布存貯

32、于網(wǎng)絡(luò)的權(quán)中，故ANN有很強的魯棒性和容錯性;</p><p>　　（4）采用并行分布處理的方法，使得快速進行大量運算成為可能。</p><p>　　這些特點都表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在解決高度非線性和嚴重不確定性系統(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、非線性及時變性的控制系統(tǒng)，大量的文獻資料表明，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對主汽溫進行控制是可行且有效的。</p><p&

33、gt;　　而PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，歷史悠久，理論完善，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制過程，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)。而實際工業(yè)生產(chǎn)過程中往往具有非線性，時變不確定性，如火電廠的鍋爐主汽溫對象，因而難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī)PID控制器不能達到到理想的控制效果，在實際生產(chǎn)過程中，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，對運行工況的適應(yīng)

34、性很差[1]。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控制的簡單性呢？。基于以上種種因素，本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，選取應(yīng)用最廣泛的BP算法，與傳統(tǒng)PID控制結(jié)合的控制策略來實現(xiàn)對主汽溫的有效控制，可以說這是采用多策略的智能控制與PID結(jié)合實現(xiàn)主汽溫控制的又一次有益的嘗試與探索。</p><p>　　1.4 本文

35、所做的主要工作</p><p>　　首先，本文對神經(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，對二者進行了結(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的三個參數(shù)，在一定的準則函數(shù)下，不斷自動調(diào)整這三個參數(shù)，直到滿足一定的性能指標(biāo)。</p><p>　　緊接著，在主汽溫系統(tǒng)上進行仿

36、真分析，鍋爐主汽溫對象是一個時變的對象，在不同的負荷下有不同的動態(tài)特性，因此對其不同的負荷均進行仿真分析。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，進而調(diào)整PID的參數(shù)。仿真結(jié)果表明:對于不同的要求不同的改進程序會有更好更穩(wěn)定的仿真結(jié)果相比較常規(guī)PID。</p><p>　　1.5 本論文的章節(jié)安排</p><p&g

37、t;<b>　　第一章、緒論</b></p><p>　　簡單論述了選題的意義和重要性以及主汽溫控制的研究現(xiàn)狀，并闡述了論文的理論依據(jù)，說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>　　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，重點對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理

38、和結(jié)構(gòu)進行了闡述。</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神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在主汽溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　本章首先對主汽溫的動態(tài)特性進行分析，對常見的和改進的主汽溫控制策

39、略進行了進行了簡單描述和總結(jié)，重點對主汽溫進行仿真分析。</p><p><b>　　最后是結(jié)論與展望</b></p><p>　　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)原理和應(yīng)用</p><p>　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN，Artifie

40、ialNeuralNetworks)是對人腦神經(jīng)系統(tǒng)的模擬而建立起來的。它是由簡單信息處理單元(人工神經(jīng)元，簡稱神經(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))來實現(xiàn)的。多年來，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)則等三個要素。</p><p><

41、b>　　2.1 MP模型</b></p><p>　　MP模型是1943年由MeCulloch和Pitts共同提出的第一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖2.1所示，它是一個多輸入、多輸出的非線性信息處理單元。</p><p>　　圖2-1 MP神經(jīng)元模型結(jié)構(gòu)</p><p>　　其中，:神經(jīng)元i的輸出，它可以與其他多個神經(jīng)元通過權(quán)連接。

42、 </p><p>　　:神經(jīng)元的輸入。 </p><p>　　:神經(jīng)元的連接權(quán)值。

43、 </p><p>　　:神經(jīng)元的閾值。 </p><p>　　:神經(jīng)元的非線性映射函數(shù)。

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

45、 （2-2）</p><p>　　則 （2-3）</p><p>　　根據(jù)激發(fā)函數(shù)的不同，人們把人工神經(jīng)元分成以下幾種類型：</p><p>　　1.分段線性激發(fā)函數(shù)</p><p><b>　?。?-4）</b>&

46、lt;/p><p>　　2.sigmoid激發(fā)函數(shù)</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p><b>　　3．雙曲正切函數(shù)</b></p><p><b>　　(2-6)</b></p><p><b>　　4．高斯激發(fā)函數(shù)&

47、lt;/b></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><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)元之間連接強度或加權(quán)系數(shù)的算法，使獲得的知識結(jié)構(gòu)適應(yīng)周圍環(huán)境的變化。在學(xué)習(xí)

48、過程中，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)方法主要分為有導(dǎo)師(指導(dǎo)式)學(xué)習(xí)、無導(dǎo)師(自學(xué)式)學(xué)習(xí)和再勵學(xué)習(xí)(強化學(xué)習(xí))三種: </p><p>　?。╨）有導(dǎo)師學(xué)習(xí):就是在學(xué)習(xí)的過程中，有一個期望的網(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)實際輸出與期望輸出之間的誤差來調(diào)整神經(jīng)元的連接強度，即權(quán)值。因此學(xué)習(xí)需要有導(dǎo)師來提供期望輸出信號。</p><p>　　(2)無導(dǎo)師學(xué)習(xí):就是在學(xué)

49、習(xí)過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)需要建立一個間接的評價函數(shù)，每個處理單元能夠自適應(yīng)連接權(quán)值，以對網(wǎng)絡(luò)的某種行為趨向作出評價。</p><p>　　(3)再勵學(xué)習(xí):這種學(xué)習(xí)介于上述兩種情況之間，外部環(huán)境對系統(tǒng)輸出結(jié)果只給出評價(獎或罰)而不是給出正確答案，學(xué)習(xí)系統(tǒng)經(jīng)過強化那些受獎勵的行為來改善自身性能。</p><p>　　2.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)規(guī)則</

50、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</p><p>　　令是輸入時神經(jīng)元k在n時刻的實際輸出，表示應(yīng)有的輸出(可由訓(xùn)練樣本給出)，則誤差信號可寫為:</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　誤差糾正學(xué)習(xí)的

51、最終目的是使某一基于的目標(biāo)函數(shù)達到要求，以使網(wǎng)絡(luò)中每一輸出單元的實際輸出在某種統(tǒng)計意義上逼近應(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)就變成了一個典型的最優(yōu)化問題，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><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)的過程是平穩(wěn)的，具體方法可用最優(yōu)梯<

52、;/p><p>　　度下降法。直接用J作為目標(biāo)函數(shù)時需要知道整個過程的統(tǒng)計特性，為解決這一問題，通常用J在時刻n的瞬時值代替J，即:</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　問題變?yōu)榍驟對權(quán)值w的極小值，據(jù)梯度下降法可得:</p><p><b>　　(2-11)</b>&

53、lt;/p><p>　　其中a為學(xué)習(xí)步長，這就是通常所說的誤差糾正學(xué)習(xí)規(guī)則或稱delta學(xué)習(xí)規(guī)則。</p><p>　　(2)Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則</p><p>　　由神經(jīng)心理學(xué)家Hbeb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)元同時處于激活狀態(tài)(或同為抑制)時，該連接的強度應(yīng)增加，反之應(yīng)減弱”用數(shù)學(xué)方式可描述為:</p><p><

54、b>　　(2-12)</b></p><p>　　由于與的相關(guān)成比例，有時稱為相關(guān)學(xué)習(xí)規(guī)則。</p><p><b>　　(3)競爭學(xué)習(xí)規(guī)則</b></p><p>　　顧名思義，在競爭學(xué)習(xí)時，網(wǎng)絡(luò)各輸出單元互相競爭，最后達到只有一個最強者激活，最常見的一種情況是輸出神經(jīng)元之間有側(cè)向抑制性連接，這樣原來輸出單元中如有某一單元較

55、強，則它將獲勝并抑制其它單元，最后只有此強者處于激活狀態(tài)。最常用的競爭學(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)的特點及應(yīng)用</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有以下特點:</p><p><b>　　1、分布式存貯信息</b></p&

56、gt;<p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用大量的神經(jīng)元之間的連接及對各連接權(quán)值的分布來表示特定的信息，從而使網(wǎng)絡(luò)在局部網(wǎng)絡(luò)受損或輸入信號因各種原因發(fā)生部分畸變時，仍能夠保證網(wǎng)絡(luò)的正確輸出，提高網(wǎng)絡(luò)的容錯性和魯棒性。</p><p>　　2、并行協(xié)同處理信息</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的每個神經(jīng)元都可以根據(jù)接收到的信息進行獨立的運算和處理，并輸出結(jié)果，同一層中的各個神經(jīng)元的輸出結(jié)果可被

57、同時計算出來，然后傳輸給下一層做進一步處理，這體現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并行計算的特點，這一特點使網(wǎng)絡(luò)具有非常強大的實時性。</p><p>　　3、信息處理與存儲和二為一</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的每個神經(jīng)元都兼有信息處理和存儲功能，神經(jīng)元之間連接強度的變化，既反映了對信息的記憶，同時又和神經(jīng)元對激勵的響應(yīng)一起反映了對信息的處理。</p><p>　　4、對信息的處理具有

58、自組織、自學(xué)習(xí)的特點，便于聯(lián)想、綜合和推廣</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元之間的連接強度用權(quán)值大小來表示，這種權(quán)值可以通過對訓(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)元之間的連接強度會不斷增加，從而提高神經(jīng)元對樣本特征的反映靈敏度。正是因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有的這些特點，才使它在模式識別、人工智能、控制工程、信號處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，相信隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的進一步深入，其應(yīng)用領(lǐng)域會更廣

59、，用途會更大。</p><p>　　2.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　20世紀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)

60、如下圖：</p><p>　　圖2-2 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　x，o為網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出，每個神經(jīng)元用一個節(jié)點表示，網(wǎng)絡(luò)包含一個輸出層和一個輸入層，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)元數(shù)，i表示隱層神經(jīng)元數(shù)，k表示輸出層神經(jīng)元數(shù)。已經(jīng)證明BP網(wǎng)絡(luò)能逼近任意非線性函數(shù)，在各個領(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)過程中，使網(wǎng)絡(luò)的輸出與期望輸出的

61、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，輸入信號從輸入層經(jīng)過隱層傳向輸出層，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按照原鏈接路反向計算由梯度下降法調(diào)整各層神經(jīng)元的權(quán)值和閾值，使誤差信號最小。這兩部分是相繼連續(xù)反復(fù)進行的，直到誤差滿足要求。</p><p>　　2.4.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法 </p>

62、<p>　　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)流程可分為（1）設(shè)置初始權(quán)系值。（2）給定網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出樣本對，計算網(wǎng)絡(luò)輸出。（3）計算目標(biāo)函數(shù)，（4）判斷目標(biāo)函數(shù)是否滿足要求。（5）如不滿足要求則進行反向傳播計算，直到誤差滿足要求。</p><p>　　2.4.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前向傳播算法</p><p>　　設(shè)某BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有m個輸入、q個隱含節(jié)點、r個輸出的三層結(jié)構(gòu)，則BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入

63、為：</p><p>　　j=1,2.......m (2-14)</p><p>　　輸入層節(jié)點的的輸出為 ：</p><p>　　j=1,2.......m （2-15)</p><p>　　隱含層第i個神經(jīng)元的輸入: </p><p>　　i=1,2.......q

64、 (2-16)</p><p><b>　　輸出可表達為 ：</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、輸出層，為活化函數(shù)，這里取為Sigmoid活化函數(shù)[8]。</p>

65、<p><b>　　(2-18）</b></p><p>　　輸出層的第個神經(jīng)元的總輸入為：</p><p>　　k=1,2.......r （2-19）</p><p>　　輸出層的第k個神經(jīng)元的總輸出為 </p><p>　　k=1,2……… （2-20）</p

66、><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，就可以完成了一次前向傳播的計算。 </p><p>　　2.4.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播計算</p><p>　　假設(shè)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理想

67、輸出為，在前向計算中，若實際輸出與理想輸出不一致，就要將其誤差信號從輸出端反向傳播回來，并在傳播過程中對加權(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。為了對加權(quán)系數(shù)進行調(diào)整，選取目標(biāo)函數(shù)為： </p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　以誤差函數(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的負梯度方向調(diào)整，使網(wǎng)絡(luò)逐漸收斂。按照

68、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相對于該式中網(wǎng)絡(luò)此刻實際輸出關(guān)系，因此</p><p><b>　?。?-23）</b></p><p><b>　　而其中

69、的</b></p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　　其中的表示節(jié)點i的第j個輸入。</p><p>　　所以 （2-25）</p><p>　　將（2-23）代入式（2-24），可以得到：</p><

70、;p><b>　?。?-26）</b></p><p>　　令 （2-27）</p><p>　　式中為第i個節(jié)點的狀態(tài)對E的靈敏度。</p><p>　　由式(2-24)和式（2-25）可以得到：

71、 </p><p>　　（2-28） </p><p>　　以下分兩種情況計算：</p><p>　　若i為輸出層節(jié)點，即i =k&l

72、t;/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>　　此時應(yīng)該按照下列公式進行調(diào)整：

73、</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>　　此時式（2-27）為</p><p><b>　　（2-32） </b><

74、;/p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　?。?-33）</b></p><p>　　式中是節(jié)點i后邊一層的第個節(jié)點，是節(jié)點的第j個輸入。 </p><p><b>　　（2-34） </b></p><p><b>　

75、　當(dāng)i=j時，</b></p><p>　　將式（2-32）和（2-34）代入（2-23），有</p><p><b>　?。?-35）</b></p><p>　　此時的權(quán)值調(diào)整公式為：</p><p><b>　　（2-36）</b></p><p>　　第三

76、章 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制</p><p>　　一般來說，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。另一種是把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值做為比例，積分和微分。本章將詳細介紹基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整定PID控制算法，然后對過熱汽溫系統(tǒng)的進行設(shè)計，對其進行Matlab算法仿真。</p><p>　　3.1

77、 PID控制器的離散差分方程</p><p>　　在連續(xù)信號系統(tǒng)中，PID控制算式的表達式</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中，—比例系數(shù)，—積分時間常數(shù)，—微分時間常數(shù)。</p><p><b>　　寫成傳遞函數(shù)形式</b></p><p&

78、gt;<b>　?。?-2）</b></p><p>　　當(dāng)采樣周期較小時， 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離散化：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中，k為采樣序號，k=1，2，…，T為采樣周期。由上式可得離散的PID表達式為：</p><

79、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，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)行機構(gòu)需要的是控制量的增量時，應(yīng)采用增量式PID控制。根據(jù)遞推原理可得<

80、;/p><p><b>　　（3-5） </b></p><p>　　用式（3-4）減式（3-5），可得增量式PID控制算法</p><p><b>　?。?-6） </b></p><p>　　式（3-6）進一步可改寫為：</p><p><b>　　（3-7）<

81、;/b></p><p><b>　　式中，，，</b></p><p>　　用增量式PID控制算法有以下優(yōu)點：</p><p>　　1．增量算法不需要累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，存在計算誤差與精度不足時，對控制量計算影響較小。</p><p>　　2．增量式算法得出的是控制量的增量，誤動作影

82、響小。</p><p>　　3．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)系不一定是簡單的“線性組合”，而是從變化無窮的非線性組合中找出最佳的關(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

83、結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)算法簡單明確?？梢酝ㄟ^對系統(tǒng)性能的學(xué)習(xí)來實現(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)PID控制。</p><p>　　基于BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制結(jié)構(gòu)如圖3-1所示?？刂破饔蓛刹糠纸M成：</p><p>　　1、經(jīng)典的PID控制器：直接對被控對象進行閉環(huán)控制，并且在線調(diào)整三個參數(shù)、、</p><p&

84、gt;　　2、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，以其達到某種性能指標(biāo)的最優(yōu)化，即使輸出層神經(jīng)元的輸出狀態(tài)對應(yīng)于PID控制器的三個可調(diào)參數(shù)、、，通過神經(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)對應(yīng)于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID的控制器參數(shù)?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定</p><p>　　PID控制系統(tǒng)方框圖如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

85、圖 </p><p>　　圖3-2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定PID控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　經(jīng)典增量式數(shù)字PID的控制算式為：</p><p><b>　?。?-4） </b></p><p>　　式中、、分別為比例、積分、微分系數(shù)。將、、視為依賴于系統(tǒng)運行狀態(tài)的可調(diào)系數(shù)時，可將（3-4）描述為：</p

86、><p><b>　　（3-5）</b></p><p>　　式中，是與、、、u(k-1)、y(k)等有關(guān)的非線性函數(shù)，可以用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過訓(xùn)練和學(xué)習(xí)找到這樣一個最佳控制規(guī)律。</p><p>　　設(shè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN是一個采用三層BP結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，它有m個輸入節(jié)點，q個隱含節(jié)點，3個輸出節(jié)點。輸入節(jié)點對應(yīng)所選的系統(tǒng)運行狀態(tài)量，如系統(tǒng)

87、不同時刻的輸入量和輸出量，偏差量等。輸出節(jié)點分別對應(yīng)PID控制器的三個參數(shù)、、，由于、、不能為負，所以輸出層神經(jīng)元活化函數(shù)取非負的Sigmoid函數(shù)。</p><p>　　由圖可見，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層輸出為</p><p>　　=1,2… (3-6)</p><p><b>　　隱層輸入為：</b></p&

88、gt;<p><b>　　(3-7)</b></p><p><b>　　隱層輸出為：</b></p><p>　　=1,2… (3-8) </p><p>　　式中，為輸入層到隱含層加權(quán)系數(shù)，上標(biāo)（1）、（2）、（3）分別代表輸入層、隱含層、輸出層，f(x)為正負對稱的Sig

89、moid函數(shù)，即。</p><p>　　最后網(wǎng)絡(luò)輸出層三個節(jié)點的輸入為</p><p><b>　　（3-9）</b></p><p>　　最后的輸出層的三個輸出為 ：</p><p>　　=1,2,3 （3-10）即</p><p><b>　?。?-

90、11） </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></p><p><b>　?。?-12） </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

91、，則有：</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　為學(xué)習(xí)率，為慣性系數(shù)。其中：</p><p><b>　　（3-14） </b></p><p>　　這里需要用到的變量，由于模型可以未知，所以未知，但是可以測出的相對變化量，即：</p><p&

92、gt;<b>　?。?-15）</b></p><p>　　也可以近似用符號函數(shù)：</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　取代，由此帶來計算上的不精確可以通過調(diào)整學(xué)習(xí)速率來補償。這樣做一方面可以簡化運算，另一方面避免了當(dāng)很接近時導(dǎo)致式（3-14）趨于無窮。這種替代在算法上是可以的，因為是式（

93、3-14）中的一個乘積因子，他的符號的正負決定著權(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學(xué)習(xí)步長加以調(diào)節(jié)。</p><p><b>　　由式：</b></p><p><b>　　可得：</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p>

94、;<p>　　這樣，可得BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層權(quán)計算公式為</p><p>　　=1,2,3 （3-18）</p><p>　　可令，則上式可寫為：</p><p><b>　　（3-19）</b></p><p>　　由式（3-1

95、5）可確定，由符號函數(shù)代替，由可得。</p><p>　　同理可得隱含層權(quán)計算公式為</p><p>　　=1,2,…, （3-20）</p><p><b>　　令 則：</b></p><p>　　=1,2,…, （3-

96、21）</p><p>　　3.3 基于BP網(wǎng)絡(luò)的PID控制器控制的算法流程</p><p>　　基于BP網(wǎng)絡(luò)的PID控制器控制算法歸納如下：</p><p>　　1．確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即確定輸入層節(jié)點及數(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．采樣得到rin (k)、yout (k)

97、，計算該時刻誤差；</p><p>　　3．計算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN各層神經(jīng)元的輸入、輸出，NN輸出層的輸出即為PID控制器的三個可調(diào)參數(shù)、、； </p><p>　　4．計算PID控制器的輸出u (k)；</p><p>　　5．進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，在線調(diào)整加權(quán)系數(shù)和；實現(xiàn)PID控制參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整；</p><p>　　6．置k =k+1，返回到第

98、一步。</p><p>　　其算法流程圖如圖4-3所示: </p><p>　　圖3-3 BP網(wǎng)絡(luò)算法流程圖</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 鍋爐主汽溫的特點</p><p>　　4.1.1 主汽溫的控制任務(wù) </p>&

99、lt;p>　　鍋爐的主蒸汽溫度與火電廠的經(jīng)濟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極其重要的參數(shù)。其控制的好壞直接影響電廠的整個經(jīng)濟效益。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)，對于亞臨界機組的主汽溫為,長期運行應(yīng)控制在，對于超臨界及超超臨界主汽溫應(yīng)控制在，長期運行應(yīng)控制在。（2）保護過熱器，使其管壁不超過允許的工作溫度，汽溫過高，會燒毀過熱器的高溫段。汽溫過低也不行，汽溫每降5度，熱經(jīng)濟性下降百分

100、之一，汽溫偏低會使汽機尾部蒸汽濕度增大甚至帶水，嚴重影響汽機的安全運行。</p><p>　　4.1.2 主汽溫控制對象的動態(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 過熱氣溫原理圖</p><p>　　影響主汽溫變化的擾動因素很多，如蒸汽負荷、煙氣溫度和流速、火焰中心位置、減溫水量、給水溫度等

101、。主要擾動有3個：</p><p>　　1、蒸汽擾動下主汽溫對象的動態(tài)特性</p><p>　　圖4-2 蒸汽流量變化對主氣溫的影響</p><p>　　2、煙氣量擾動下主汽溫對象的動態(tài)特性</p><p>　　圖 4-3 煙氣流量變化對主氣溫的影響</p><p>　　3、減溫水量擾動下主汽溫對象的動態(tài)特性</

102、p><p>　　圖4-4 減溫水量變化對主氣溫的影響</p><p>　　4.2 主汽溫的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　4.2.1 主汽溫控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號的選擇</p><p>　　對于主蒸汽的三個基本擾動，其中蒸汽流量的擾動由用戶決定，根據(jù)負荷的多少來決定所用蒸汽的多少，所以蒸汽流量信號是不可以調(diào)節(jié)的，因此不能做調(diào)節(jié)信號。而煙氣量擾動可以做調(diào)

103、節(jié)信號，但是煙氣與燃燒系統(tǒng)有關(guān)，如果用煙氣作為控制信號，會影響到燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計，所以一般也不采用煙氣控制。常常用減溫水量擾動做調(diào)節(jié)信號，可通過控制減溫水的多少來控制主蒸汽溫度，實踐證明是可以的。</p><p>　　4.2.2 減溫水?dāng)_動下主汽溫的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　減溫水量作為基本擾動，來完成控制，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

104、是許許多多的單容對象的串聯(lián)，因此對象具有分布參數(shù)特性，且該被控對象有較大的慣性和遲延。</p><p>　　用給水量來完成控制，減溫水出口溫度變化明顯比過熱汽溫變化要快，常常把這一段作為導(dǎo)前區(qū)，把從減溫器出口到過熱蒸汽出口這一段叫做惰性區(qū)，在減溫水的擾動下，主氣溫的動態(tài)特性可表示為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p&g

105、t;　　其中為放大系數(shù)，為時間常數(shù)，n為階次。其傳遞函數(shù)由兩點法可以通過實驗測得。</p><p>　　同理導(dǎo)前區(qū)的傳遞函數(shù)也可以表示為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中為導(dǎo)前區(qū)的放大系數(shù)，為導(dǎo)前區(qū)的時間常數(shù)，為階次，該傳遞函數(shù)也可以通過實驗求的。</p><p>　　惰性區(qū)的傳

106、遞函數(shù)也可以表示為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　其中為惰性區(qū)放大系數(shù)，為惰性區(qū)時間常數(shù)，為階次，該傳遞函數(shù)無法通過實驗求出，而是由下式求出：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　可得到： </p>&l

107、t;p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　（4-6）</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　參考文獻[24]，我們可以知道600MW直流鍋爐主氣溫對象的動態(tài)特性，見下表：</p><p>　　4.3 主汽溫控

108、制方法</p><p>　　在火電廠中，對主汽溫的控制有較高的要求，然而在實際生產(chǎn)過程中,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,加上對象模型參數(shù)隨工況參數(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,主汽溫控制是一個存在大時滯、時變性、大干擾,具有不確定性和非線性的復(fù)雜熱工對象.常規(guī)汽溫控制系統(tǒng)為串級PID控制或?qū)拔⒎挚刂?串級PID控制系統(tǒng)見下

109、圖：</p><p>　　圖4-5 主汽溫串級控制框圖</p><p>　　其中r為過熱汽溫設(shè)定值,為系統(tǒng)輸入，分別為控制系統(tǒng)對象的導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的傳遞函數(shù)，K 為執(zhí)行器近似傳遞函數(shù)。</p><p>　　傳統(tǒng)的控制都需要人工整定PID，且要求對象模型精確，改進后加入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方案如下圖，把常規(guī)PID控制器用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)：</p><p&g

110、t;　　圖4-6直流鍋爐過熱汽溫NN控制方框圖</p><p>　　圖中，分別為控制系統(tǒng)對象的導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的傳遞函數(shù)，K 為執(zhí)行器近似傳遞函數(shù)。分別表示副變送器和主變送器。r為輸入信號，在傳統(tǒng)PID的基礎(chǔ)上增加了一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來在線實時輸出PID的比例，積分和微分三個參數(shù)。 </p><p>　　4.4 主汽溫基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制Matlab仿真</p>

111、<p>　　圖4-7 基于BP神經(jīng)網(wǎng)路的主汽溫控制框圖</p><p>　　如上圖，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: 。仿真時我們采用文獻[13]給出的動態(tài)特性，也可以參見本論文表1-1：600MW直流鍋爐：</p><p>　　在負荷為37%時,導(dǎo)前區(qū)為:，而惰性區(qū)的傳遞函數(shù)為:，可以近似為，其仿真曲線如下：</p><p>　　圖4

112、-8 負荷為37%時BP神經(jīng)pid控制下的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　圖4-9 負荷為37%時BP神經(jīng)pid控制下的誤差曲線</p><p>　　圖4-10 負荷為37%時BP神經(jīng)pid控制下的控制量變化曲線</p><p>　　圖4-11 負荷為37%時BP神經(jīng)pid控制下的個參數(shù)變化曲線</p><p>　　在負荷為50%時,導(dǎo)前區(qū)

113、為: ,而惰性區(qū)的傳遞函數(shù)為，也可近似為；其仿真曲線如下：</p><p>　　圖4-12 負荷為50%時BP神經(jīng)pid控制下的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　圖4-13 負荷為50%時BP神經(jīng)pid控制下的誤差曲線</p><p>　　圖3-14 負荷為50%時BP神經(jīng)PID控制下的控制量變化曲線</p><p>　　圖4-15負荷為50

114、%時BP神經(jīng)pid控制下的個參數(shù)變化曲線</p><p>　　負荷為75%時,導(dǎo)前區(qū)為:，而惰性區(qū)的傳遞函數(shù)為: 也可近似為；其仿真曲線如下：</p><p>　　圖4-16 負荷為75%時BP神經(jīng)pid控制下的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　圖4-17 負荷為75%時BP神經(jīng)pid控制下的誤差曲線</p><p>　　圖4-18 負荷為7

115、5%時BP神經(jīng)pid控制下的控制量變化曲線</p><p>　　圖4-19負荷為75%時BP神經(jīng)pid控制下的個參數(shù)變化曲線</p><p>　　在負荷為100%時,導(dǎo)前區(qū)為: ,而惰性區(qū)的傳遞函數(shù)為，也可近似為。</p><p>　　圖4-20 負荷為100%時BP神經(jīng)pid控制下的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　圖4-21 負荷為100

116、%時BP神經(jīng)pid控制下的誤差曲線</p><p>　　圖4-22負荷為100%時BP神經(jīng)pid控制下的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　圖4-23 負荷為100%時BP神經(jīng)pid控制下的個參數(shù)變化曲線</p><p>　　4.5 仿真結(jié)果分析</p><p>　　從以上仿真結(jié)果分析，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定PID控制能依據(jù)被控對象的變化自適

117、應(yīng)的調(diào)整PID的三個參數(shù)，依據(jù)一定的最優(yōu)準則以求滿足不同負荷下的控制要求。在不同負荷下，也即從鍋爐的啟動到穩(wěn)定運行的整個過程，都可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且隨著負荷逐漸接近額定負荷，控制效果越來越好，當(dāng)滿負荷運行時，該策略對于大遲延的主汽溫系統(tǒng)取得了良好的控制性能。 </p><p><b>　　結(jié)論與展望</b></p><p>　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論(Artifieia

118、lNeuralNetwork—ANN)是近十幾年速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。由于其獨特的特性，己應(yīng)用于控制、信號分析、音處理等多個領(lǐng)域中。在控制領(lǐng)域中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于其具有強的非線性映射能自學(xué)習(xí)適應(yīng)能力、聯(lián)想記憶能力、并行信息處理方式及其優(yōu)良的容錯性能，不同程度和層次上模仿人腦神經(jīng)系統(tǒng)的信息處理、存儲和檢索功能。這些特得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非常適合于復(fù)雜系統(tǒng)的控制。特別是當(dāng)系統(tǒng)存在不確定性因時，更能體現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的優(yōu)越性。這些都很適合于控制系統(tǒng)中的非