发布时间 : 星期日 文章基于BP神经网络PID整定原理和算法步骤-精品更新完毕开始阅读
第1章 绪论
1.1选题背景和意义
在计算机技术没有发展的条件下,大量需求的控制对象是一些较为简单的单输入单输出线性系统,而且对这些对象的自动控制要求是保持输出变量为要求的恒值,消除或减少输出变量与给定值之误差、误差速度等。而PID控制的结构,正是适合于这种对象的控制要求。因此PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。然而实际工业生产过程往往具有非线性，时变不确定性，难以建立精确地数学模型，应用常规PID控制器不能达到理想的控制效果，而且在实际生产现场中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规PID控制器往往整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性很差。所以人们从工业生产过程需要出发,基于常规PID控制器的基本原理,对其进行了各种各样的改进，形成所谓智能PID控制[1]。而其中神经网络所具有的大规模的并行处理和分布式的信息存储；极强的自学、联想额容错能力；良好的自适应和自组织性；多输入、多输出的非线性系统都基本符合工程的要求。人工神经网络作为生物控制论的一个成果，其触角几乎延伸到各个工程领域，并且在这些领域中形成新的生长点。
以神经网络研究为开端，整个学术界对计算的概念和作用有了新的认识和提高。计算不仅仅局限于数学中，更不仅采取逻辑的、离散的形式，在大量的物理现象以至生物学对象中，进行各种各样的计算，而且大量的运算表现在对模糊低精度模拟量的并行计算，对于这一类计算，传统的计算机是无能为力的。神经网络的数学理论本质是非线性的数学理论，因此，现代非线性科学方面的进展必将推动神经网络的研究，同时，神经网络理论也会对非线性科学提出新课题。神经网络研究的对象是神经系统，这是高度进化的复杂系统，也是系统科学中一个重要的具体的领域。神经网络的研究不仅重视系统的动态特性，而且强调事件和信息在系统内部的表达和产生。
神经网络应用时不需考虑过程或现象的内在机理，一些高度非线性和高度复杂的问题能较好地得到处理，因此神经网络在控制领域取得了较大的发展，特别在模型辨识、控制器设计、优化操作、故障分析与诊断等领域迅速得到应用。神经网络控制作为二十一世纪的自动化控制技术，国内外理论与实践均充分证明，其在工业复杂过程控制方面大有用武之地。而工业现场需要先进的控制方法，迫切需要工程化实用化的神经网络控制方法，所以研究神经网络在控制中的应用，对提高我国的自动化水平和企业的经济效益具有重大意义[2]。神经网络具有很强的非线性逼近能力和自学习能力，所以将BP神经网络算法与PID控制相结合产生的间接自校正控制策略，能自动整定控制器的参数，使系统在较好的性能下运行。
虽然人工神经网络存在着以上的许多优点及广泛的应用，但同时也存在着一些不足，
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由于神经网络的不足阻碍了神经网络的发展，在现实应用中BP神经网络是最为广泛的神经网络模型，BP神经网络是在1986年被提出的，因其系统地解决了多层网络中隐含单元连接权的学习问题，它同样具有人工神经网络所具有的特点。本课题是以BP神经网络模型研究为主。BP神经网络的缺点主要表现在以下几个方面:
(1)学习过程收敛速度慢，训练易陷入瘫痪; (2)训练过程中易陷入局部极小值; (3)网络泛化能力差;
(4)隐节点数及权重和阈值初始值的选取缺乏理论指导: (5)未考虑样本选择对系统的影响;
(6)未考虑传递函数对神经网络系统的影响;
另外，网络结构的确定:包括隐含层数及各隐含层节点数的确定:以及学习率的选取等问题的存在严重阻碍了BP神经网络的发展，致使其理论发展缓慢。同时也因为BP网络的这些缺点限制了其应用领域的拓宽及应用程度的深入，不利于国民经济的健康发展。因此，研究BP神经网络显然具有重要理论意义和重要的应用价值。
1.2神经网络技术国内外发展现状
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。在实际生产过程中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，因此常规PID控制的应用受到很大的限制和挑战。人们对PID应用的同时，也对其进行各种改进，主要体现在两个方面：一是对常规PID本身结构的改进，即变结构PID控制。如积分分离算法，抗积分饱和算法和微分项的改进等等。另一方面，与模糊控制、神经网络控制和专家控制相结合，扬长避短，发挥各自的优势，形成所谓智能PID控制。
神经网络是一个由大量简单的处理单元广泛连接组成的系统，用来模拟人脑神经系统的结构和功能。它从开始研究到发展并不是一帆风顺的，经历了兴起到低潮，再转入新的高潮的曲折发展道路。20世纪80年代中期以来，在美国、日本等一些西方工业发达国家里，掀起了一股竞相研究、开发神经网络的热潮。近十多年来人工神经网络的发展也表明了，这是一项有着广泛的应用前景的新型学科，它的发展对目前和未来科学技术水平的提高将有重要影响。
初期阶段美国心理学家wi11iamJames(1890)发表了《心理学原理》一书，论述了相关学习、联想记忆的基本原理，对人脑功能作了创见性地工作。他指出:当前基本的脑细
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胞曾经一起相继被激活过，其中一个受到刺激重新激活时，会将刺激传播到另一个。同时，James认为：在大脑皮层上任意点的刺激量，是其他所有发射点进入该点的总和。美国心理学家W.S.Mcculloh与数学家W.H.Pirts(1943)合作，用逻辑数学工具研究客观事件在形成神经网络中的数学模型表达，从此开创了对神经网络的理论研究。Bernard Widrow和MareianHoff(1962)提出了一种连续取值的线性加权求和阈值网络，即自适应线性元件网络，也可以看成是感知器的变形，它成功地应用于自适应信号处理和雷达天线控制等连续可调过程。他们在人工神经网络理论上创造了一种被人们熟知的Widrow-Hoff学习训练算法，并用硬件电路实现人工神经网络方面的工作，为今天用大规模集成电路实现神经网络计算机奠定了基础。
90年代初，对神经网络的发展产生了很大的影响是诺贝尔奖获得者Edelamn提出Darwinism模型。他建立了一种神经网络系统理论，例如，Darwinism的结构包括Dawin网络和Nallance网络，并且这两个网络是并行的，而他们又包含了不同功能的一些子网络。他采用了Hebb权值修正规则，当一定的运动刺激模式作用后，系统通过进化，学会扫描跟踪目标。Narendra和Parthasarathy(1990年)提出了一种推广的动态神经网络系及其连接权的学习算法，它可表示非线性特性，增强了鲁棒性。神经网络理论有较强的数学性质和生物学特性，尤是神经科学、心理学和认识科学等方面提出一些重大问题，是向神经网络理论研究的新挑战，因而也是它发展的最好的机会。
近十年来，神经网络理论与实践有了引人注目的进展，它再一次拓展了计算概念的内涵，使神经计算、进化计算成为新的学科，神经网络的软件模拟得到了广泛的应用。科技发达国家的主要公司对神经网络芯片、生物芯片情有独钟。例如Intel公司、IBM公司和HNC公司已取得了多项专利，已有产品进入市场，被国防、企业和科研部门选用，许多公众手中也拥有神经网络实用化的工具，其商业化令人鼓舞。神经网络在国民经济和国防科技现代化建设中具有广阔的应用领域和发展前景。神经网络具有大规模并行、分布式存储和处理、自组织、自适应和自学能力，特别适用于处理需要同时考虑多因素和多条件的、不精确和模糊的信息处理问题。它主要应用领域有：语音识别、图像识别、计算机视觉、智能机器人、故障诊断、实时语言翻译、企业管理、市场分析、决策优化、物资调运、自适应控制、专家系统、智能接口、神经心理学、心理学和认知科学研究等等。
PID控制要取得较好的控制效果，就必须通过调整好比例、积分、微分三种控制作用，形成控制量中既有相互配合又相互制约的关系。这种关系不一定是简单的线性组合，从变化无穷的非线性组合中可以找出最佳关系。神经网络所具有的任意非线性表达能力，可以通过对系统性能的学习来实现具有最佳组合的PID控制。因此基于神经网络的PID不仅能适应环境变化，且有较强的鲁棒性。
本设计正是研究基于神经网络PID控制理论及其应用，特别是基于反向传播算法的PID控制的基本原理，然后利用BP神经网络PID控制器对一个单闭环调速系统进行仿真研究，并和常规的PID控制进行对比，从而得出BP神经网络PID控制器具有较强的自整
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定、自适应的优点。
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