基于RBF-PID的小型貨車空調(diào)控制系統(tǒng)仿真研究

劉姝廷 沈陽(yáng)工學(xué)院 潘宇 沈陽(yáng)正大自控工程有限公司

基于RBF-PID的小型貨車空調(diào)控制系統(tǒng)仿真研究

劉姝廷 沈陽(yáng)工學(xué)院 潘宇 沈陽(yáng)正大自控工程有限公司

隨著近年來(lái)快遞產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，小型貨車常被快遞員選為主要的交通工具。為了給快遞員提供一個(gè)舒適的工作環(huán)境，為小型貨車加入適合的空調(diào)控制系統(tǒng)變得尤為重要。本文將徑向基RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID算法相結(jié)合對(duì)小型貨車空調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果表明該方法具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

貨車空調(diào)控制系統(tǒng) RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID

隨著全球汽車原料價(jià)格上漲給汽車產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大成本壓力，在產(chǎn)品方面，貨車和一些特用車的空調(diào)生產(chǎn)較少，市場(chǎng)需求不能完全滿足。在生產(chǎn)技術(shù)方面，節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)也給汽車產(chǎn)業(yè)提出新的挑戰(zhàn)。隨著中國(guó)貨車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的購(gòu)買者將更關(guān)注的舒適、安全、娛樂(lè)、節(jié)能等性能。所以一些具有節(jié)能、環(huán)保性能的新型貨車空調(diào)產(chǎn)品將越來(lái)越受到廣大消費(fèi)者的青睞。未來(lái)貨車空調(diào)將會(huì)向自動(dòng)化空調(diào)、小型節(jié)能化、舒適方向發(fā)展。現(xiàn)代空調(diào)系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)、通風(fēng)和空氣凈化裝置及控制系統(tǒng)組成。貨車空調(diào)一般主要由壓縮機(jī)、電控離合器、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、貯液干燥器、管道、冷凝風(fēng)扇、真空電磁閥和控制系統(tǒng)等組成。本文將徑向基RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID算法相結(jié)合對(duì)小型貨車空調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果證明了該方法的有效性，能夠?yàn)樾⌒拓涇嚳照{(diào)系統(tǒng)的控制提供一定的借鑒作用。

1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

徑向基函數(shù)（Radical Basis Function,RBF）是多維空間插值的傳統(tǒng)技術(shù)，由Powell在1985年提出，1988年，Broomhead和Lowe根據(jù)生物神經(jīng)元具有局部響應(yīng)這一特點(diǎn)，將RBF引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中去，從而產(chǎn)生了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，訓(xùn)練簡(jiǎn)潔、學(xué)習(xí)收斂速度快，能夠逼近任意非線性函數(shù)，因此被廣泛的應(yīng)用在時(shí)間序列分析、模式識(shí)別等領(lǐng)域。徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中，輸入層僅僅起到傳輸信號(hào)的作用，隱含層是對(duì)激活函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，輸出層是對(duì)線性權(quán)值進(jìn)行調(diào)整，采用的是線性優(yōu)化策略，因而學(xué)習(xí)速度較快。

2 RBF-PID控制器結(jié)構(gòu)

RBF-PID控制器主要由常規(guī)的PID控制器和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很好的自學(xué)習(xí)能力。PID控制器具有精調(diào)節(jié)、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。使用RBF對(duì)PID的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)的整定，得到最優(yōu)的控制輸出。RBF-PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于RBF-PID控制器結(jié)構(gòu)圖

3 RBF-PID算法

RBF網(wǎng)絡(luò)是一種前饋傳播的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，需要求解的參數(shù)有3個(gè)，分別是基函數(shù)中心、方差以及隱含層到輸出層的權(quán)值。根據(jù)徑向基函數(shù)中心選取方法的主要有隨機(jī)選取中心法、自組織選取法和正交最小二乘法。本文主要采取的是自組織選取中心法。改方法主要由兩個(gè)階段組成：自組織學(xué)習(xí)階段和有導(dǎo)師學(xué)習(xí)階段。

徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)常用的徑向基函數(shù)是高斯高數(shù)，因此徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激活函數(shù)可以表示為：

由圖1所示的徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可得到的網(wǎng)絡(luò)輸出為：

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的具體算法如下所示。

式中cmax是選取中心之間的最大距離。

Step5 計(jì)算隱含層和輸出層之間的權(quán)值。隱含層和輸入層之間的權(quán)值可以用最小二乘法直接計(jì)算得出，計(jì)算公式如下：

將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PIC算法相結(jié)合，RBF-PID算法如下所示。

Step1 初始化，設(shè)確定輸入層、隱含層和輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，將節(jié)點(diǎn)中心、寬度及權(quán)值分別賦值，設(shè)定學(xué)習(xí)速率和動(dòng)量系數(shù)。

Step5 在線更新各參數(shù)，返回Step2。

4 仿真研究

汽車空調(diào)系統(tǒng)中的車內(nèi)溫度對(duì)象大多是慣性環(huán)節(jié)，該數(shù)學(xué)模型為：

采用BP-PID算法對(duì)小型貨車內(nèi)溫度進(jìn)行控制，選擇4-6-1的RBF網(wǎng)絡(luò)。學(xué)習(xí)速率=0．11，慣性系數(shù)給定車內(nèi)溫度為25℃。仿真過(guò)程中加入隨機(jī)干擾0．25*rand(0,1)，輸出結(jié)果和誤差曲線如圖2和圖3所示。

圖2 RBF-PID輸出曲線

圖3 RBF-PID誤差曲線

從圖2和圖3可以看出，RBF-PID，響應(yīng)曲線無(wú)超調(diào)，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，在整個(gè)過(guò)程加入隨機(jī)干擾后，誤差曲線近似為0，控制精度較高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)小型貨車的空調(diào)系統(tǒng)的車內(nèi)溫度進(jìn)行仿真，將徑向基RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID結(jié)合，仿真效果顯著，響應(yīng)速度快，控制精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，誤差較小，對(duì)小型貨車空調(diào)系統(tǒng)的控制具有很好的效果。

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劉姝廷，1983.8，遼寧沈陽(yáng)人，講師，研究方向：工業(yè)智能控制與軟件開發(fā)。