基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制整定

許笑梅 趙東亞 曹磊

摘 ?要：基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制整定分析，通過MATLAB構(gòu)建CSTR對象模型，綜合生產(chǎn)環(huán)境與各種干擾性因素，利用整定PID參數(shù)的方式進行控制分析，效果顯著。基于此，文章主要對基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制整定的相關(guān)內(nèi)容進行了簡單的分析論述。

關(guān)鍵詞：RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);PID控制整定;CSTR

中圖分類號：TP273 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）13-0032-02

Abstract： The PID control setting analysis based on RBF neural network， the CSTR object model is constructed by MATLAB， the production environment and various interference factors are integrated. The control analysis is carried out by setting PID parameters， and the effect is remarkable. Based on this， this paper mainly analyzes and discusses the related contents of PID control setting based on RBF neural network.

Keywords： RBF neural network; PID control setting; CSTR

1 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析

1.1 神經(jīng)元基礎(chǔ)模型分析

單神經(jīng)元主要就是模仿生物神經(jīng)元的具體結(jié)構(gòu)、功能，在數(shù)學角度對其進行描述的一種基本單位模式，通過人腦神經(jīng)元進行抽象簡化獲得。人工神經(jīng)元是在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中最為基礎(chǔ)的構(gòu)成部分。

1.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識

系統(tǒng)辨識屬于現(xiàn)代控制理論中較為重要的內(nèi)容，因為現(xiàn)代控制系統(tǒng)越來越復雜，被控制對象的數(shù)據(jù)模型無法精準描述，要通過控制理論為基礎(chǔ)，掌握分析被控對象的變化規(guī)律特征，通過另一種方式確定近似、便于描述以及控制的數(shù)學模型替代這種不可預(yù)知的相對較為復雜的一種模型。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具有較為強大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性函數(shù)逼近能力，在滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)條件的時候，可以通過任意精度逼近任意非線性的連續(xù)函數(shù)以及分段連續(xù)特征的函數(shù)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中主要可以分為并聯(lián)與串-并聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)。其中并聯(lián)模型主要就是通過辨識系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及誤差反饋得以實現(xiàn)。其中串并聯(lián)模型主要分為辨別系統(tǒng)、時延網(wǎng)絡(luò)以及誤差反饋、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等共同構(gòu)成，這兩種系統(tǒng)均可以通過誤差實現(xiàn)對系統(tǒng)的在線調(diào)整處理，但是串并聯(lián)系統(tǒng)通過辨識系統(tǒng)中輸入輸出信息作為主要的辨識信息，通過誤差矯正，可以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強系統(tǒng)收斂性，對此，在應(yīng)用中此種系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性自整定PID控制

PID控制是一種較為經(jīng)典的控制算法，此種方式算法簡單、可靠性較高，可以利用系統(tǒng)偏差問題，通過比例、積分以及微分等方式進行控制。

2.1 PID控制基本原理

PID控制器屬于線性控制器，其主要是通PID控制系統(tǒng)與被控對象構(gòu)成。合理的應(yīng)用PID控制系統(tǒng)可以完成較為復雜的計算以及控制，因為計算機處理屬于是一種數(shù)字量的形式，對此要將PID控制算法進行數(shù)字化處理。

2.2 PID參數(shù)工程整定

基于PID控制算法與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法仿真分析，首先要進行PID參數(shù)進行整定，如果沒有合理選擇參數(shù)就會導致CSTR系統(tǒng)出現(xiàn)溫度失控等問題，嚴重的甚至會出現(xiàn)澆滅或者暴聚等問題。

調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方式主要可以分為理論計算以及工程整定兩種類型，一般狀況之下主要就是應(yīng)用根軌跡法與數(shù)頻率特性法。理論計算方式要了解數(shù)學模型，但是因為無法獲得被控過程較為精準的數(shù)學模型系統(tǒng)，因此理論計算方式應(yīng)用較少。

工程整定方式在應(yīng)用中無需數(shù)學模型，可以直接的進行參數(shù)整定分析，此種方式相對較為簡單，操作也更為便捷，在工程實際中應(yīng)用較為廣泛。綜合CSTR溫度系統(tǒng)的參數(shù)整定問題，可以通過衰減曲線的方式進行處理，此種方式具有良好的整定質(zhì)量，在應(yīng)用中對于工藝的干擾相對較小，整個過程安全可靠。

3 Matlab仿真與雙態(tài)軟件實驗

3.1 CSTR的基本方程

3.2 預(yù)測控制器的實現(xiàn)

在仿真實驗中，基于連續(xù)反應(yīng)開車的步驟以及控制要求進行手動控制，記錄其穩(wěn)態(tài)狀態(tài)之下的實驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建多布預(yù)測模型，取m=2，n=2，d=2，T=1s，通過記錄歷史數(shù)據(jù)對比分析，在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型方式支持之下對被控制模型對象進行預(yù)測建模。通過多次仿真實驗分析，通過試驗臺中CSTR溫度控制仿真系統(tǒng)分析，其參數(shù)值如下：？著=0.02，CmaX=106，？琢c=0.1，？滋min=0.002，？濁=0.01。通過此種方式構(gòu)建模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型系統(tǒng)，將其在預(yù)測控制閉環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)用，可以實現(xiàn)對CSTR的預(yù)測控制，步驟具體如下：

第一，測量分析獲得現(xiàn)階段溫度輸出量y（k），通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測獲得系統(tǒng)預(yù)測值，計算模型的當前偏差修正量。第二，通過誤差反饋矯正方式，獲得閉環(huán)系統(tǒng)輸出，通過滾動優(yōu)化算法，將獲得的參數(shù)帶入到二次型性能指標函數(shù)中，可以獲得控制增量？駐u=-？滋？啄Ju，獲得控制量;在實驗中采樣周期為1s，在采樣時刻中要采集下一刻的實時數(shù)據(jù)信息，在進行測量分析。

3.3 仿真結(jié)果

分析模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制響應(yīng)曲線，確定被控制變量的反應(yīng)釜溫度，其中V-08主要表示的控制量冷卻水的閥門開度。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制系統(tǒng)中，45℃在過渡為69℃的區(qū)間中耗時不到160秒，在系統(tǒng)運行中并沒有出現(xiàn)超調(diào)等問題，整體上來說，溫度曲線以及冷卻水閥門曲線較為平滑，系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能以及動態(tài)性能良好。

分析簡單控制系統(tǒng)單回路PID控制響應(yīng)曲線，參數(shù)取值主要就是現(xiàn)階段系統(tǒng)模型之下的整定參數(shù)信息，分析可以確定溫度在45℃上升到69℃的時候，耗費的時間不到200秒，PID控制雖然上升時間相對較快，但是整體上來說穩(wěn)態(tài)無誤差，系統(tǒng)溫度響應(yīng)曲線存在超調(diào)，在冷卻水閥門變化相對來說并不平滑。

CSTR系統(tǒng)在運行中會受到各種干擾因素的影響，例如，冷卻水壓力缺乏溫度性等都會造成溫度控制不足等問題。分析加入擾動之后的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制以及PID控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線，其中V-07屬于另一路的冷卻水閥門開度，在通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行預(yù)測分析的時候，因為系統(tǒng)對于擾動具有較快的響應(yīng)，其超調(diào)相對較小。而在通過PID控制的時候，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能良好，但是抑制擾動的整體超調(diào)卻相對較大。

而出現(xiàn)此種問題主要就是因為反應(yīng)釜的熱容量相對較大，在其運行中主要就是通過夾套傳熱，在反應(yīng)釜中的內(nèi)物料以及夾套中的冷卻介質(zhì)進行熱交換過程中也要耗費一定的時間，這樣就會導致系統(tǒng)出現(xiàn)慣性與時滯性。在冷卻水壓力出現(xiàn)不同程度的波動過程中，就會影響冷卻水的流量，進而影響夾套的溫度。傳感器測量溫度變化，通過PID控制器則就會產(chǎn)生一定的控制作用，在對其進行調(diào)整就會出現(xiàn)滯后性，進而造成超調(diào)等問題。

通過預(yù)測控制通過模型則可以對系統(tǒng)今后的動態(tài)行為進行預(yù)測分析，可以制定控制策略，滾動優(yōu)化策略則會補償不確定性等問題，進而有效的改善動態(tài)性能。

因為在系統(tǒng)中不同物料的成分與質(zhì)量也存在一定的差異性，這樣就會導致其反應(yīng)過程出現(xiàn)特性區(qū)別。

PID調(diào)節(jié)器參數(shù)固定不變，沒有進行及時調(diào)整則無法滿足系統(tǒng)要求，就會導致出現(xiàn)不同程度的振動問題，因為預(yù)測控制對模型的要求相對較低，是一種在有限時閾中的滾動優(yōu)化性策略。在采樣時刻中，優(yōu)化性能指標主要就是涉及到此時刻起的未來的有限時間段中，在下一個采樣時刻到來的時候，其優(yōu)化時域也會出現(xiàn)向前移動的狀態(tài)，也就是說在整個優(yōu)化過程中并不是一次的離線完成，是一種反復的在線狀態(tài)。此種滾動優(yōu)化方式就會補償模失配、時變以及擾動等問題，提升整體的確定性，達到控制精度的效果。

在上述研究基礎(chǔ)上，將兩個CSTR串聯(lián)，形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)的CSTR，運用分布式的結(jié)構(gòu)，設(shè)計非線性PID控制器及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，探討串聯(lián)CSTR控制器設(shè)計問題，以期獲得更好的控制性能，提高系統(tǒng)的魯棒性，降低在線計算負擔，節(jié)約控制成本。Matlab仿真與雙態(tài)軟件實驗驗證了所提出基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制算法的有效性。

4 結(jié)束語

本文以CSTR為研究對象。從CSTR的基本能量方程出發(fā)，經(jīng)過一系列公式推導，最終得到機理模型。并代入實驗時常用的基本參數(shù)，求得CSTR的無量綱模型。對CSTR系統(tǒng)分別設(shè)計了非線性PID控制和基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制算法，通過MATLAB軟件模擬仿真，得到控制結(jié)果，并對結(jié)果進行對比分析，最后將優(yōu)化后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器通過實驗平臺進行驗證，實驗驗證了本文所設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法對CSTR溫度控制具有良好的控制效果。

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