II 一 中国高新 技术企 业 该 课 题 为 黑 龙 江 省 教 育 厅 科 学 技 术 指 导 项 目 (10553032) 神 经 网 络 Pil l控 制 器 在 温 度 控 制 中 的 应 用 研 究 ◆ 文 ／张 文 庆 罗华 余 跃 海 【摘 要 】 本 文 采 用基 于 BP神 经 网络 的模 糊 自适 应 PID 控 制 策略 ，解 决 了原 有 PID 控 制 的参 数 自适 应能 力 弱 、鲁 棒 性 较 差 的 问 题 。该 方 法 基 于 常 规 的 PID 控 制 策 略 ，采 用 BP神 经 网络 动 态 调 整 PID 控 制 器 参 数 ，采 用 模 糊 规 则 改 变 网 络 收 敛 速 度 ，使 之 能 够 随 时 满 足 控 制 精 度 的 需 要 ，改 善 系 统 的 控 制 性 能 。仿 真 实验 结 果 表 明 ： 所 提 的 控 弗6策略 实 现 简 单 ．同 时 具 有 较 高 的 控 制 精 度 。 【关键 词 】 温度 控 制 模 糊 自适 应 PID 控 制 BP神 经 网络 一 、 前 言 为 采 样 周 期 。 当 前 绝 大 多 数 的 生 产 过 程 的 自 动 控 制 系 统 装 置 具 有 的 控 制 规 2、误 差 的 归 档 模 糊 量 化 律 都 是 比 例 、积 分 和 微 分 规 律 (即 PID 控 制 规 律 )。PID 控 制 器 原 理 简 对 系 统 状 态 变 量 {e(t)J进 行 “归 档 ”模 糊 量 化 、归 一 化 处 理 。 系 统 单 ，使 用 方 便 ，适 应 力 强 ，但 在 实 际 工 业 控 制 过 程 中 经 常 会 碰 到 大 滞 误 差 为 ：e(t)=r(t)一y(t)，通 过 计 算 e／r将 系 统 误 差 归 一 化 ，并 将 其 在 闭 后 、时 变 、非 线 性 的 复 杂 系 统 。 有 的 参 数 未 知 或 缓 慢 变 化 ；有 的 存 在 区 间 lO,ll内 分 成 若 干 等 级 。完 成 “归 档 ”模 糊 量 化 。 滞 后 和 随 机 干 扰 ：有 的 无 法 获 得 精 确 的 数 学 模 型 。传 统 PID控 制 方 法 E 为 系 统 误 差 的 模 糊 论 域 ．再 乘 以 一 个 缩 减 系 数 将 其 调 至 。0—1 一 般 适 用 于 小 滞 后 的 过 程 ，按 一 定 的 控 制 性 能 要 求 ，整 定 出 一 组 固 的 数 量 级 ．即 将 误 差 e转 化 成 “概 念 ”值 ，送 给 神 经 网 络 NN 。 定 的 P、I、D 调 节 参 数 ，这 样 的 控 制 往 往 是 动 态 和 静 态 性 能 的 一 种 折 3、自适 应 神 经 网 络 NN 中 。不 能 很 好 的 解 决 动 态 和 静 态 性 能 之 间 矛 盾 及 跟 踪 设 定 值 与 抑 制 设 NN 是 一 个 三 层 BP 网 络 ，有 S个 输 入 节 点 ，H 个 隐 层 节 点 ，3 扰 动 之 间 的 矛 盾 ．系 统 控 制 效 能 不 能 达 到 最 佳 Ill 。 基 于 BP 神 经 网 个 输 出 节 点 。 NN 的 输 出 节 点 分 别 对 应 PID 控 制 器 的 三 个 参 数 kp，ki， 络 的 P ID 控 制 器 ，使 人 工 神 经 网 络 与 传 统 P ID 控 制 相 结 合 。 该 方 k ，因 为 他 们 不 能 为 负 值 ，所 以 输 出 层 激 活 函 数 取 Sigmoid函 数 ，隐 层 法 不 但 结 构 简 单 ，易 于 在 工 控 机 系 统 上 实 现 ，且 能 适 应 环 境 变 化 ，有 激 活 函 数 选 取 双 曲 正 切 。 网 络 NN 的 输 入 为 经 过 模 糊 量 化 处 理 后 的 较 强 的 鲁 棒 性 。 本 文 将 该 方 法 在 温 度 控 制 系 统 中 用 M aⅡab 语 言 进 系 统 状 态 变 量 。 行 了仿 真 应 用 ．取 得 了 很 好 的 效 果 。 S 为 输 入 变 量 的 个 数 ，取 决 于 被 控 系 统 的 复 杂 程 度 。网 络 隐 层 为 二 、基 于 BP 神 经 网 络 的 模 糊 自 适 应 PlD 控 制 器 0)= ”o (1)= 0Ⅺ ，=0,1。z ，(日 1) ；1 (2) (3) 其 中 l vj)为 隐 层 权 系 数 ， =ei为 阈 值 ，上 标 (1)，(2)，(3)分别 代 表 输 入 层 、隐 层 、输 出 层 ，为 双 曲 正 切 型 激 活 函 数 。 网 络 的 输 出层 有三个节点，即 ∞：兰 ’0)／t=o，L2 (4) 一 0 圈 1基 于 BP 神 经 网 络 的 模 糊 自 适 应 PID 控 制 器 结 构 (f)=詈【 (I)] (5) 基 于 BP 神 经 网 络 的 模 糊 自 适 应 PID 控 制 系 统 结 构 如 图 l所 示 。 它 包 括 三 个 部 分 ： oP(f)=Kr， ∞ ·0 ∞ (6) 1、传 统 PID 控 制 器 ：直 接 对 过 程 构 成 闭 环 控 制 。 其 中 (W l是 输 出 层 权 系 数 ，WKH=ek为 Ill值 ，g(x)为 Sigmoid函 数 ， 2、模 糊 量 化 模 块 ：对 系 统 的 状 态 变 量 进 行 归 档 模 糊 量 化 和 归 一 化 处 理，其优 点 是 ：① 可 以利 用 模 糊控 制 的 鲁 棒性 和非 线 性 控制 作 用 。② 相 当于 对 NN2神 经 网 络的 输入 进 行 预处 理 ，避 免 了 当神经 网 络 的 激 活 函 数 用 Sigmoid函 数 或 双 曲 正 切 函 数 时 ，由 于 输 入 过 大 易 导 即g(x)=T 。取性能指标Jc=争 【r(t+1)一y(t+1) 】 (7) P 为 学 习 长 度 。 网 络 的 权 系 数 A (，+J) 唧 +芦 (D (8) 致 输 出 趋 于 饱 和 ．使 得 对 输 入 不 再 敏 感 。 K=1时 ，对 应 k。 别 (r) 、 ： 一 一 1) (9) 3、神 经 网 络 NN：根 据 系 统 的 状 态 ．调 节 PID 控 制 器 的 参 数 以 期 达 到 某 种 性 能 指 标 的 最 优 。 具 体 实 现 方 法 是 使 神 经 元 的 输 出 状 态 对 应 于 PID拄 制器 的 被调 参 数 k．k．，kd，便 可 通过 网络 自身 权 系数 的调 K=2时 ，对 应 k． r) (1O) 整 ．使 得其 稳 定状 态对 应 于某 种 最优 控制 律 下 的 PID控制 器 参数 。 K=3时 ，对 应 kd r)_’ 1)+ 三 、自 适 应 PID 控 制 算 法 的 实 现 1、PID 算 法 这 样 ．可 得 NN 网 络 输 出 层 权 系 数 增量 式 数 字 PID控 制 算 式 u(t)=u(t一1)+k 【e(t)一e(t一1)]kte(t)+ A (f+1)=J7 )+鸠 (0 j= L…，H (12) kd[e(t)-2e(t-1)+e(t一2)】(I) 同理 可得 隐 层权 系 数 A (f+1)= ’O)+ O)i=0，I，五3 (13) 式 中 kp，ki，l【d分 别 为 比 例 、积 分 、微 分 系 数 ，kl=kp 1 ，kd=kp— Id ，T 为 学 习速 率 ，-y为 惯性 系 数 ， =／( o) J=0,1 ， 一0(14) m m ■·l 一 139— 

¨ 中国；‘新技术企董 一 且 窖 )=暑( )【l一暑(J)】， ， )=[1-flCx)]／z 为 了 加 快 网 络 的 训 练 速 度 ，学 习 率 -q(O< <1)可 通 过 自适 应 方 五 、结 论 本 文 结 合 HD 控 制 器 和 BP神 经 网 络 的 优 势 ．提 出 了 一 种 模 糊 自 法 确 定 。 一 般 学 习 率 大 ，学 习 速 度 快 ，误 差 量 变 化 过 大 ，会 出 现 学 习 适 应 PID 控 制 策 略 。该 控 制 方 法 综 合 模 糊 控 制 、神 经 网 络 与 PID 调 节 算 法 不 稳 定 ，学 习 率 小 ，网 络 收 敛 的 速 度 慢 ．这 里 采 用 模 糊 启 发 式 学 各 自的 长 处 ． 既 具 有 神 经 网 络 的 学 习 和 适 应 能 力 又 有 快 速 收 敛 性 。 习 。 学 习 率 可 按 下 列 方 法 计 算 后 查 表 求 得 。 同 时 具 有 PID 调 节 的 广 泛 适 应 性 。 仿 真 实 验 结 果 表 明 带 有 神 经 网 络 IF E(t)=B and △ W(￡)：S THEN =B 的 控 制 方 法 的 有 效 性 和 可 实 现 性 ，突 出 优 点 是 ：不 需 要 知 道 受 控 对 象 IF E(t)=S and A W(t)=B THEN =S 的 结 构 和 参 数 ；抑 制 干 扰 能 力 强 ；适 应 性 和 鲁 棒 性 强 ；结 构 简 单 ，易 于 E(t)表 示 训 练 权 值 的 误 差 量 ，△ W (t)表 示 权 值 的 变 化 量 ，模 糊 实 现 。同 时 表 明 该 方 法 有 着 广 阔 的 工 业 应 用 前 景 。 子 集 {S，MS，M，MB，B}隶 属 函 数 为 计 算 方 便 可 选 用 梯 形 或 三 角 形 。 [41 四 、仿 真 实 验 下 面 将 图 1用 于 用 于 某 高 分 子 聚 合 物 反 应 温 度 控 制 系 统 。NNC 参 考 文 献 选 用 (3，6，3)结 构 。网 络 采 用 标 准 BP 网 加 权 初 始 系 数 在 区 间 卜 0．5， 【1】李 雪 莲 PID 模 糊 控 制 器 结 构 研 究 [J]。机 械 工 程 与 自动 化 ，2005 ， +0．5】。从 图 2中 看 出 ，在 启 动 时 即 投 入 工 作 ，过 渡 时 间 少 ，超 调 量 很 4 小 ，几 乎 没 有 振 荡 ，稳 态 响 应 与 PID 一 样 ，具 有 良好 的 精 度 。 【2】陶 永 华 新 型 P ID 控 制 及 其 应 用 【M 】。 北 京 ：机 械 工 业 出 版 社 ， 2002 ，1 f3】徐 丽 娜 神 经 网 络 控 制 电 子 工 业 出版 社 ，2003 【4】李 士 勇 模 糊 控 制 ?神 经 控 制 和 智 能 控 制 论 哈 尔 滨 工 业 大 学 出 版 社 1998．9 (作者 单位 系 哈尔 滨学 院) 图 2 基 于 BP 整 定 参 数 的 阶 跃 响 应 加 热 曲 线 f上 接 137页 ) 中 去 ． 对 于 linux 的 2．4内 核 的 设 备 文 件 系 统 。 注 意 要 把 设 备 名 由， 创 建 设 备 文 件 ，用 这 个 方 法 驱 动 程 序 会 自主 的 管 理 它 的 设 备 文 件 。 dev／test改 为 ／dev／test／0。接 着 就 可 以在 嵌 入 式 系 统 中运 行 测 试程 序 了。 (9) 编 写 Makefile文 件 。编 译 生 成 驱 动 模 块 。 6 结 束 语 5．2驱 动 程 序 的 测 试 (1)建 立 设 备 节 点 如 ：mknod ／dev／test C 254 0 在 嵌 入 式 linux开 发 中 驱 动 的 设 计 是 十 分 重 要 的 ，在 开 发 驱 动 程 序 的 时 候 要 求 开 发 者 要 熟 悉 硬 件 的 工 作 原 理 。 这 部 分 需 要 开 发 者 通 过 阅 读 硬 件 产 家 所 提 供 的 资 料 来 解 决 。 本 文 简 单 介 绍 一 个 驱 动 程 序 通 过 mknod生 成 设 备 名 为 C，主 设 备 号 为 254。次 设 备 号 为 0 的 设 备 的 框 架 ，其 基 本 要 求 是 要 对 linux 内 核 比 较 熟 悉 。 而 并 不 需 要 太 多 的 (2)插 入 驱 动 模 块 ，然 后 可 以 用 lsmod命 令 来 查 看 是 否 被 插 入 ， 硬 件 知 识 。 如 果 不 使 用 该 模 块 也 可 以 用 rmmod命 令 来 卸 载 该 模 块 。 参 考 文 献 如 ：insmod test．o (3)编 写 驱 动 测 试 程 序 【11 Jonathan Corbet，Alessandro R．ubini，Greg Kroah—Harmaan．1inux设 备 驱 动 程 序 ．中 国 电 力 出版 社 ，2006 (4) 通 过 调 用 测 试 程 序 以 及 调 用 cat／dev／test来 实 现 对 设 备 文 f21冯 国 进 ．嵌 入 式 Linux驱 动 程 序 设 计 从 入 门到 精 通 ．清 华 大 学 出 版 件 的 读 写 测 试 。 社 ．2008 (5)把 通 过 交 叉 编 译 的 驱 动 模 块 ，利 用 NFS挂 载 到 嵌 入 式 系 统 (作者 单位 系福建 交通 职 业技 术学 院) f上 接 138页 ) 的 可 靠 性 得 到 保 证 。在 通 常 的 环 境 条 件 下 ，24小 时 连 续 开 机 ，系 统 的 为 保 证 数 据 传 输 质 量 。对 每 个 字 节 进 行 校 验 的 同 时 ，尽 量 减 少 通 信 始 终 处 于 正 常 状 态 ，整 机 性 能 够 满 足 现 场 工 程 的 需 要 。 特 征 字 和 校 验 字 。数 据 包 格 式 由 引 导 码 、长 度 码 、地 址 码 、命 令 码 、数 据 、校 验 码 、尾 码 组 成 ，每 个 数 据 包 长 度 达 20—30 字 节 。 为 了 可 靠 的 参 考 文 献 工 作 ，在 485总 线 状 态 切 换 时 需 要 做 适 当 延 时 ，再 进 行 数 据 的 收 发 。 【1】罗 亚 非 ．凌 阳 16位 单 片 机 应 用 基 础 ．北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ． 具 体 的 做 法 是 在 数 据 发 送 状 态 下 。先 将 控 制 端 置 “1”．延 时 lms左 右 20o3．12 的 时 间 ，再 发 送 有 效 的 数 据 。一 包 数 据 发 送 结 束 后 再 延 时 lms后 ，将 【2】MAXIM1996 NEW RELEASES DATA BOOK (Volume V)【M】． 控 制 端 置 …0 。这 样 的 处 理 会 使 总 线 在 状 态 切 换 时 ，有 一 个 稳 定 的 工 Printed and Published in Hong Kong，1996 作 过 程 。 4．结 束 语 I3】昊 军辉 ，林 开颜 ，徐 立鸿．RS 485总线 通信 避 障及 其 多主发 送 的研 究 U】．测 控 技 术 ，2002，21(8)：41-- 43 经 过 以 上 的 软 硬 件 共 同 处 理 ．RS一485总 线 在 应 用 系 统 工 程 中 (作者 单位 系中北 大学 信 息与 通信 工 程学 院) 一 140一