基于神经网络PID的液动调节阀控制研究.pdf

基 于 神 经 网 络 P l D 的 液 动 调 节 阀 控 制 研 究 口周培 口顾寄南 江苏大学 制造业信息化研究中心江苏镇江2 1 2 0 1 3 摘 要 液动调节阀的快速精 确定位在 工业生产 中十分重要 。将传统 P I D算法与 B P神 经网络算法相结合 ， 设计 出具 有 自适 应能力的智能 P I D控制 系统 ， 并应 用在 阀门控制器 中。 仿真结果表 明， 基于 B P神 经网络 的 P I D控制 算法， 控 制效果 明显， 优 于普通 P I D控制 系统 。 关键词 液动调节阀 阀门控 制器神经 网络P l D 中图分 类号 T H1 3 7 ． 5 ； T P 1 8 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 f 2 0 1 5 0 6 - 0 0 3 7 - 0 2 液 动 调 节 阀 在 石 油 、 化 工 和 船 舶 等 行 业 中 的 地 位 十 分 重 要 ， 它 能 够 对 温 度 、 流 量 、 压 力 等 被 控 变 量 进 行 控 制 。 而 阀 门 控 制 器 作 为 其 重 要 附 件 之 一 ． 可 以 改 善 阀 门 特 性 ， 提 高 控 制 精 度 和 速 度 ， 增 加 控 制 的灵 活 性 。 传 统 阀 门 定 位 器 采 用 常 规 P I D 控 制 。控 制 算 法 简 单 。 容 易 实 现 。 但 由 于 液 压 系 统 所 处 环 境 极 其 复 杂 ． 有 许 多 不 确 定 因 素 。难 以 建 立 精 确 的 数 学 模 型 。 因此 传 统 P I D 已 经 难 以 满 足 控 制 要 求 。 为 了 提 高 液 压 控 制 系 统 的 稳 定 性 ， 克 服 传 统 P I D 的 缺 点 ， 本 文 引 入 B P神 经 网 络 ， 设 计 出 具 有 自适 应 能 力 的 智 能 P I D 控 制 系 统 。 1 液动调节 阀控 制原理 液 动 调 节 阀 控 制 原 理 如 图 1所 示 。被 控 对 象 是 液 动 调 节 阀 。 将 输 入 控 制 信 号 r 4 ～ 2 0 mA 电 流 信 号 与 通 过 传 感 器 测 到 的 角 度 反 馈 值 Y 进 行 比 较 ， 当 偏 差 为 e时 ，通 过 D 信 号 转 换 。输 出 信 号 来 调 节 阀 的 转 动 ， 最 终 准 确 达 到 阀 芯 所 需 要 的 位 置 。 2 基于 B P神经 网络整定 的 P l D控 制 2． 1 BP 神 经 网 络 PI D 控 制 系 统 结 构 基 于 BP 网 络 的 P I D 控 制 系 统 结 构 如 图 2所 示 。 控 制 器 由两 部 分 构 成 经 典 的 P I D 控 制 器 和 B P神 经 网 络 学 习 算 法 。 前 者 直 接 对 被 控 对 象 进 行 闭 环 控 制 ， 后 者 是 根 据 系 统 的 运 行 状 态 ，调 整 P I D 控 制 器 的 参 数 ， 收稿 日期 2 0 1 4年 1 2月 机械制造5 3 卷 第6 1 0 期 从 而 达 到 性 能 指 标 的 最 优 化 ．使 输 出 层 神 经 元 的 输 出 状 态 对 应 于 P I D 控 制 器 的 三 个 参 数 、 i 、 k d ， 通 过 神 经 网 络 的 自学 习 和 加 权 系 数 调 整 。使 神 经 网 络 输 出 对 应 于 某 种 最 优 控 制 规 律 下 的 P I D 控 制 参 数 。 经 典 增 量 式 数 字 P I D 的 控 制 算 法 为 U k - 1 。 [ e - e 一1 ] 后 |e d [ e 一 2 e 后 一 1 e k - 2 ] 1 式 中 k 。 、 k i 、 k d 分 别 表 示 比 例 、 积 分 、 微 分 系 数 。 2_ 2 BP神 经 网 络 结 构 本 文 采 用 三 层 B P神 经 网 络 ， 其 结 构 如 图 3所 示 。 网 络 输 入 层 的 输 入 为 ‘ x q j l ， 2⋯． ， 2 2 0 1 5 ／ 6 回 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 式 中 U 为 给 定 网 络 输 入 ； 为 输 入 层 节 点 数 ， 根 据 被 控 对 象 的复 杂 程 度 ， 选 取 M 值 为 4。 网 络 隐 含 层 的 输 入 为 M ㈤ ∑W ㈩ 3 』 0 隐 含 层 的 输 出 为 。 j n e t l 2 ] i 1 ， ⋯， Q 4 式 中 W 为 隐 含 层 的 加 权 系 数 ， 上 角 标 1 、 2 分 别 代 表 输 入 层 、 隐 含 层 。 隐 含 层 神 经 元 的 活 化 函 数 取 正 负 对 称 的 s i g mo i d 函数 八 5 网络 输 出 层 的 输 入 为 0 n e t z ㈣ ∑W “ ㈣ o ㈤ 6 i 0 输 出 层 的 输 出 为 D g[ n e t t ‘ ] ／ 1 ， 2， 3 7 式 中 。 为 输 出 层 加 权 系 数 ， 上 角 标 3 代 表 输 出 层 。 输 出 层 的 3个 输 出 分 别 对 应 P I D 控 制 器 的 3个 参 数 ， 即 01 ‘ 。 O2 ‘ i D3 ‘ d 因 为 P I D 控 制 器 的 3个 参 数 均 不 能 取 负 数 ， 所 以 输 出 层 神 经 元 活 化 函 数 为 非 负 的 s i g mo i d函 数 ， 即 g e x 8 取 性 能 指 标 函 数 为 E }[ |lc 一 y 。 后 ] s 而 1而 丽 1 0 通 过 MAT L AB ／ S i mu l i n k对 常 规 P I D 仿 真 ． 结 果 如 图 4所 示 。 针 对 神 经 网 络 P I D， 本 文 选 用 3层 网 络 ， 网 络 结 构 为 4 - 5 - 3， 学 习 速 率 为 0 ． 2 8， 惯 性 系 数 为 0 ． 0 4， 加 权 系 数 区 间 为 [ 一 0 ． 5 - 0 ． 5] 之 间 的 随 机 数 ， 编 写 神 经 网 络 程 序 后 ， 输 入 阶 跃 响 应 信 号 ， 其 阶 跃 响 应 曲 线 如 图 5所 示 ， 参 数 自适 应 曲 线 如 图 6所 示 。 由 图 4和 图 5对 比可 知 ． 常 规 P I D 出 现 了 较 大 的 波 动 。 而 且 趋 向稳 定 的 时 间 较 长 。BP神 经 网络 P I D 儿 乎 没 有 超 调 量 ， 而 且 很 快 达 到 稳 定 状 态 。 9 4结束 语 3 系统仿真 液 动 调 节 阀 采 用 闭 环 液 压 伺 服 控 制 ，根 据 已 知 参 数 及 液 压 系 统 的 特 点 ， 推 导 出 闭 环 传 递 函 数 为 2 0 1 5 ／ 6 本 文 针 对 液 动 调 节 阀 的 液 压 伺 服 控 制 系 统 分 别 设 计 了 常 规 P I D 控 制 器 和 B P神 经 网 络 的 P I D 控 制 器 ， 通 过 MA TL AB 仿 真 表 明 ， B P 神 经 网 络 控 制 器 的 控 制 效 果 比 普 通 P I D 的 控 制 效 果 更 优 ． 而 且 具 有 超 调 量 小 、 鲁 棒 性 强 等 特 点 。 参 考 文 献 [ 1 ] 薄永军．温室温度控 制系统神 经网络 P I D控制算 法研 究 [ J ] ． 安徽农业科学 ， 2 0 1 4 ， 4 2 1 3 4 1 0 2 ～ 4 1 0 4 ． [ 2 ] 丁曙光 ， 吴卫平 ， 桂贵生． 基于神经网络 P I D的液压位置例 服控制 的研究 [ J ] ． 组合机 床与 自动化加 工技术 ， 2 0 0 9 3 4 9-51 ． [ 3 ] 刘金 琨． 先进 P I D控制及其 MA T L A B仿真 [ M] ． 北京 电子 工业 出版社 ， 2 0 o 3 ． [ 4 ] 刘曙光． 液压伺 服系统 神经 网络 P I D控 制 [ D] ． 南京 南 京 理工大学 ， 2 0 0 4 ． 编 辑 禾 禾 机械制造5 3 卷 第 6 1 0 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m