基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的仿真研究

李 楠，吳玉厚

（沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

隨著我國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)的安全性的重視程度有很大提高，因此本文對(duì)經(jīng)典PID 控制算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法進(jìn)行了分析比較，突出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法在穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性的優(yōu)點(diǎn)。

1 經(jīng)典PID 控制器

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，經(jīng)典PID 控制是應(yīng)用最為廣泛的控制算法，其控制算式為：

PID 控制算法要采用離散化控制算法。表達(dá)式為：

式中：KP，KI，KD的分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)e（k）為第k 次，采樣的輸入偏差u（k）為第k 次采樣的系統(tǒng)輸出。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種前向網(wǎng)絡(luò)，典型BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含輸入層輸出層和隱含層三層網(wǎng)絡(luò)。如圖1 所示。輸入層節(jié)點(diǎn)傳遞輸入信號(hào)到隱含層，隱含層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)常取可微的單調(diào)遞增函數(shù)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元的特性由輸出層神經(jīng)元的的特性決定。

圖1 三層BP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)x1，x2，…，xn為BP 網(wǎng)絡(luò)的輸入；y1，y2，…，yn為輸出；wji1為輸入層到隱含層的連接權(quán)值；wji2為隱含層到輸出層的連接權(quán)值。

輸入層：xi=xi0

3 自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的組成

圖2 自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的組成

本文采用的自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)主要由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，被控對(duì)象（高空作業(yè)平臺(tái)）和雙軸傾角傳感器組成。控制器部分由常規(guī)PID 控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器組成，PID 控制器必須調(diào)整好比例，微分，積分的關(guān)系，使被控量相互配合相互制約以取得較好的控制效果。如圖2 所示。

經(jīng)典的PID控制器直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制，并且三個(gè)參數(shù)KP、KI、KD是在線調(diào)整方式，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)PID 控制器的參數(shù)，以其達(dá)到某種性能指標(biāo)的最優(yōu)化。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法歸納如下：①確定輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)和隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，并賦予各層加權(quán)系數(shù)的初值，選定學(xué)習(xí)速率和慣性系數(shù)，并令k=1；②采樣的到r（k）和y（k），并計(jì)算出e（k）；③計(jì)算各神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出，輸出層為三個(gè)可調(diào)參數(shù)KP、KI、KD；④計(jì)算PID 控制器的輸出；⑤進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，在線調(diào)整加權(quán)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)KP、KI、KD的自適應(yīng)調(diào)整；⑥令k=k+1 返回①。

被控對(duì)象為三吊點(diǎn)懸吊式高空作業(yè)平臺(tái)，調(diào)平策略采用同向追逐式調(diào)平法，即上升過程中最高點(diǎn)不動(dòng)，通過雙軸傾角傳感器測(cè)出x 軸，y 軸與水平面夾角，然后依次調(diào)平；下降過程中最低點(diǎn)不動(dòng)，通過雙軸傾角傳感器測(cè)出x 軸，y 軸與水平面夾角，然后依次調(diào)平。采用此方法大大提高了調(diào)平精度。

4 控制系統(tǒng)的仿真

本系統(tǒng)仿真時(shí)間為6s，采樣時(shí)間為0.01s 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 和PID 的初始控制參數(shù)為KP'=4.7787、KI'=1.2391、KD'=0.269 學(xué)習(xí)速率η=0.28，慣性系數(shù)α=0.04。

為分析系統(tǒng)的時(shí)域性能，對(duì)系統(tǒng)輸入單位階躍信號(hào)，通過仿真結(jié)果（圖3，圖4）可以看出，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法在系統(tǒng)的上升時(shí)間峰值時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量以及穩(wěn)態(tài)誤差等各項(xiàng)指標(biāo)都比經(jīng)典PID 控制算法要好，跟蹤能力也優(yōu)于經(jīng)典PID，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 的響應(yīng)時(shí)間在0.5s 內(nèi)振蕩次數(shù)少于經(jīng)典PID 控制算法，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法后系統(tǒng)的時(shí)域性能有很大提高。

圖3 PID 控制仿真結(jié)果

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

驗(yàn)證了自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制的可行性和優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)比例、微分、積分參數(shù)，可以進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，加強(qiáng)了系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

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