基于單神經(jīng)元的PID控制實現(xiàn)

介紹了一種單神經(jīng)元自適應(yīng)控制的方法，并提出了在線調(diào)整的方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單，便于在分散控制系統(tǒng)中實現(xiàn)。

0 引言

在工業(yè)過程控制中，PID控制是歷史最悠久、生命力最強的控制方式。這主要是因為這種控制方式具有直觀、實現(xiàn)簡單和魯棒性能好等一系列優(yōu)點。在火電廠分散控制系統(tǒng)中，單輸入單輸出（SISO）、采用PID控制規(guī)律、簡單的控制回路一般占80%以上。但是，許多熱工對象都具有大時延、大慣性的特性，使得過渡過程時間變長，調(diào)節(jié)品質(zhì)變差；另外，對于高階或多變量強耦合過程，PID的整定與控制都存在困難。由于整定條件常常受到限制，以及對象的動態(tài)特性隨著工況、環(huán)境等變化而發(fā)生變化，PID參數(shù)往往難以達到最優(yōu)狀態(tài)。

為此，本文提出一種單神經(jīng)元自適應(yīng)控制的方法。通過大量的仿真實驗表明，該方法簡單易行，具有比普通PID算法好得多的控制效果。

1基于單神經(jīng)元的自適應(yīng)控制

神經(jīng)元的輸入信號由4部分組成：前饋控制信號x1（t）、反饋比例控制信號x2（t）、反饋微分控制 信號x3（t）、反饋積分控制信號x4（t）。它是一種多層次多模式的控制結(jié)構(gòu)，集前饋和反饋于一體，互為關(guān)聯(lián)，互為補償。前饋控制信號x1（t）通過ω′1（t） 直接作用于受控對象，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度；x2（t）能迅速減小跟蹤誤差；x3（t） 可以改善系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)量；x4（t） 使系統(tǒng)趨近于穩(wěn)態(tài)無差，提高了控制的準確性。權(quán)值ω′i（t）（i=1，2，3，4）反映了受控對象和過程的動態(tài)特性，神經(jīng)元通過自身的學習策略不停地調(diào)整ω′i（t）（i=1，2，3，4），在4種控制的關(guān)聯(lián)作用下迅速消除偏差，進入穩(wěn)態(tài)。

權(quán)值調(diào)整方法采用有監(jiān)督Hebb學習算法［2］，同時為了保證學習算法的收斂性和控制的魯棒性，可采用規(guī)范化的學習算法?？刂扑惴ㄈ缦率剑?/p>

2仿真實驗研究

進行單神經(jīng)元自適應(yīng)控制仿真實驗，實驗結(jié)果見圖2。PID的參數(shù)Ti、δ和Td是通過尋優(yōu)得到的最優(yōu)參數(shù)。在t=0.56 s時加了一個內(nèi)擾?？梢妴紊窠?jīng)元自適應(yīng)控制比普通PID控制響應(yīng)速度快，控制效果好。

大量的仿真實驗表明，單純調(diào)節(jié)學習速率η對控制效果的影響不明顯。K是神經(jīng)元的比例系數(shù)，它對開環(huán)放大倍數(shù)較大的受控對象，可以起到衰減神經(jīng)元控制效果、消除學習過程的沖擊的作用；而對開環(huán)放大倍數(shù)較小的受控對象，則可以起到增強神經(jīng)元控制效果、保證神經(jīng)元在全局范圍內(nèi)搜索到E｛［r（t）-y（t）］2｝ 的最小值的作用。仿真實驗表明，K取的較大時，系統(tǒng)動態(tài)啟動快，但超調(diào)量大，調(diào)整時間長；K取的較小時，系統(tǒng)響應(yīng)變慢，超調(diào)量下降，但如果K取的太小，則響應(yīng)跟蹤不上給定信號。

對K的分析表明，應(yīng)當在響應(yīng)初期取較大的值，以提高響應(yīng)速度；而在進入穩(wěn)態(tài)以后，K應(yīng)逐步減少到某一穩(wěn)定值，以保證系統(tǒng)不出現(xiàn)過大的超調(diào)量。為了滿足上述要求，可以采用非線性變換法對K進行在線修改，調(diào)整公式如下：

式中，K0為K的穩(wěn)態(tài)值；α為待定參數(shù)，其值視控制效果進行調(diào)整。取偏差的3次方是使偏差較大時K較大，增加響應(yīng)速度，而偏差較小時，后一項幾乎不起作用，以減小超調(diào)量。

也可以采用如下簡單的分段線性化方法來調(diào)整K：

對無自平衡對象G（s）=（0.325s+1）-1×（0.5s+1）-1 進行單神經(jīng)元自適應(yīng)控制仿真實驗，實驗結(jié)果見圖3。在t=5.6 s時加一個內(nèi)擾。可見控制的響應(yīng)速度進一步加快。

3結(jié)論

以上提出的神經(jīng)元自適應(yīng)預(yù)測PID控制器，能夠提高控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和魯棒性，該控制器結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，特別是便于在分散控制系統(tǒng)中實現(xiàn)。