基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制在熱力站的應(yīng)用

常云澤，楊風(fēng)，康海洋

（中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院 太原，030051）

0 引言

本文對熱力站中的換熱器控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的控制方法和該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及各部分機理進行了剖析，建立換熱器控制系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制模型，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定PID參數(shù)以實現(xiàn)換熱器系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制。對控制結(jié)果進行仿真，并分析設(shè)計結(jié)果。利用MATLAB檢驗控制效果。

1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID整定原理

PID要取得良好的控制效果，就必須通過調(diào)整好比例、積分、微分3種控制作用。形成控制量中即相互制約又相互配合的關(guān)系，這種關(guān)系不一定是簡單的“線性組合”，從變化無窮的線性組合中可以找到最佳的關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有的任意非線性的表達能力，可以通過系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)來實現(xiàn)具有最佳組合的PID控制。

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID的控制系統(tǒng)的控制器由2部分構(gòu)成：

（1）經(jīng)典PID控制器，直接對閉環(huán)控制對象進行控制，并且對3個參數(shù)KP、 KD、 Ki為在線調(diào)整方式；

（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)，以期達到某種性能指標(biāo)的最優(yōu)化，使輸出層神經(jīng)元的輸出狀態(tài)對應(yīng)于PID控制器的3個可調(diào)參數(shù)KP、KD、 Ki， 通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)的調(diào)整，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出對應(yīng)于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID控制器參數(shù)。

2 熱力站傳遞函數(shù)的模型

由于熱工對象往往內(nèi)部機理比較復(fù)雜，而且，實際的熱工過程多半具有非線性因素，在進行數(shù)學(xué)推導(dǎo)時常常作了一些近似與假設(shè)，雖然這些近似與假設(shè)具有一定的實際依據(jù)，但并不能完全反應(yīng)實際情況，甚至帶來一些估計不到的影響。所以，要采用實驗的方法即辨識方法來求出熱工對象的實際模型，也就是傳遞函數(shù)的模型。

在本文中，采用輸入量是閥門的開度，輸出量是二次網(wǎng)的供熱水溫度值。

換熱器的動態(tài)性能近似為一個帶延時的一階非周期環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)形式如下：

為了進行計算機控制，我們需要將連續(xù)系統(tǒng)離散化以便獲得離散信號。分析離散系統(tǒng)可以用古典的Z變換求出系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)G(z)，再從脈沖傳遞函數(shù)G(z)求出離散系統(tǒng)的動態(tài)方程——差分方程，就能方便地對離散系統(tǒng)進行數(shù)字仿真及控制了。

用Z變換法求連續(xù)系統(tǒng)離散化后的脈沖傳遞函數(shù)及差分方程，TS為采樣周期。則廣義對象傳遞函數(shù)為G(s),對其進行Z變換可得到與G(s)等價的離散模型：

生死，一般當(dāng)屬于史詩的重大情節(jié)。哈冉惠和蟒古斯搏斗時，無論如何殺不死對手，在關(guān)鍵時刻，他束手無策，是他的寶駒指點了迷津，告訴他蟒古斯的靈魂藏在蟒古斯的馬的鼻孔中，是一條金蛇和一條銀蛇。英雄殺死金蛇、銀蛇后，才最終殺死了蟒古斯?！皩汃x”這一藝術(shù)形象中所蘊含的，明顯是薩滿教文化，而不屬于佛教文化。如果此說不錯，那么這一情節(jié)當(dāng)屬于史詩的“早期成分”。

3 建立熱力站的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

（1） 選定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，即選定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點M與隱藏節(jié)點L的個數(shù)；

網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出結(jié)點是由實際問題本質(zhì)決定的，與網(wǎng)絡(luò)性能無關(guān)，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練前的一個關(guān)鍵步驟是確定隱藏節(jié)點數(shù)L，隱藏節(jié)點數(shù)與其說具有科學(xué)性，不如說更具有技巧性。往往與輸入數(shù)據(jù)中隱藏的特征因素有關(guān)的。

L的初始值可由式（3）來確定：

本文選定的是集中供熱二次回水中的溫度控制，共有4個輸入，3個輸出由上式得：隱含層的節(jié)點個數(shù)L為5。所以，在本文中熱力站中的換熱站BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)供熱模型為4-5-3的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；

（2）采樣得到r(k)、q(k)，計算e(k)=r(k)-q(k)；

（4）計算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各層神經(jīng)元的輸入與輸出，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出即為PID個可調(diào)參數(shù)Kp(k),Kd(k),Ki(k);

（5）計算PID控制器的控制輸出u(k);

（6）根據(jù)性能指標(biāo)函數(shù)來計算誤差，若誤差滿足要求，則結(jié)束計算，否則繼續(xù)；

（7）計算修正輸出層的權(quán)系數(shù)Woj;

（8）計算修正隱含層的權(quán)系數(shù)Wij；

（9）設(shè)置K=K+1，返回2循環(huán)。

4 熱力站神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型MATLAB仿真結(jié)果

輸入層與輸出層的權(quán)值：

仿真結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1：參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整曲線

圖2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID熱力站仿真曲線

5 結(jié)束語

本文針集中供熱中熱力站的換熱器控制系統(tǒng)探討了二次水溫度的控制設(shè)計。對于二次回水的溫度的控制調(diào)節(jié)采用了一種新型的智能控制算法——基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID算法。本文以MATLAB為工具對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法進行了仿真實驗，結(jié)果表明本文所采用的控制算法較單純PID算法具有良好的控制效果，其具有廣闊的應(yīng)用前景。

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