燧道式爐神經(jīng)元二自由度PID控制的研究

引　言

常規(guī)二自由度pid控制的擾動(dòng)抑制和給定跟蹤及魯棒性諸方面的性能均比一自由度的要好，但不管是一自由度，還是常規(guī)二自由度的pid控制，都必須進(jìn)行復(fù)雜的參數(shù)整定，而且pid參數(shù)一旦確定下來(lái)，它也無(wú)法在線自調(diào)整，以適應(yīng)對(duì)象參數(shù)的變化。雖然許多學(xué)者致力于自適應(yīng)控制的研究，但是自適應(yīng)控制要求建立對(duì)象的模型，而工業(yè)過(guò)程又普遍存在著不確定性，故難以在實(shí)際應(yīng)用中取得滿意的控制效果。近年來(lái)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究引起了控制界的高度重視，在控制中的應(yīng)用研究已取得了一定的進(jìn)展。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，可以處理和控制那些難以用數(shù)學(xué)模型描述的、具有不確定性的對(duì)象和過(guò)程。探索實(shí)用而有效的神經(jīng)控制理論和方法已成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。單神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最基本單元，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制中，單神經(jīng)元是最基本的控制部件?；谏窠?jīng)元的pid控制，只有一個(gè)神經(jīng)元，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，學(xué)習(xí)過(guò)程比較快，能夠容易解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)時(shí)性不好這一難點(diǎn)。基于神經(jīng)元的pid控制既保持了傳統(tǒng)pid控制的特點(diǎn)，又具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息綜合、學(xué)習(xí)記憶和自適應(yīng)能力，表現(xiàn)出良好的自適應(yīng)性和魯棒性。

1　增益自調(diào)整的神經(jīng)元二自由度pid控制

在神經(jīng)元pid控制中，調(diào)節(jié)神經(jīng)元控制器增益（即神經(jīng)元的比例系數(shù)，見(jiàn)圖2）k的值，對(duì)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)較大的被控對(duì)象，它應(yīng)能起到衰減神經(jīng)元的控制作用，消除系統(tǒng)的響應(yīng)超調(diào)和振蕩。對(duì)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)較小的被控對(duì)象，則應(yīng)能增強(qiáng)神經(jīng)元的控制作用，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。實(shí)踐證明，k取得較大時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，但超調(diào)較大。k取得較小，系統(tǒng)響應(yīng)緩慢，超調(diào)量較小，但是如果k取得過(guò)小，系統(tǒng)響應(yīng)則存在穩(wěn)態(tài)誤差。因此，k的取值將對(duì)神經(jīng)元控制系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大的影響，尤其是對(duì)于開(kāi)環(huán)增益時(shí)變的對(duì)象，k的取值應(yīng)隨著對(duì)象的開(kāi)環(huán)增益的變化而自動(dòng)調(diào)整，這就要求控制器具有自動(dòng)調(diào)整增益的能力。在圖1所示的常規(guī)ff（前饋）型二自由度pid控制中，若其主控制器用神經(jīng)元pid實(shí)現(xiàn)，而且神經(jīng)元的比例系數(shù)k能根據(jù)誤差的大小進(jìn)行在線自調(diào)整。這樣就可以構(gòu)成了增益自調(diào)整的神經(jīng)元二自由度pid控制。常規(guī)ff（前饋）型二自由度pid和增益自調(diào)整的神經(jīng)元二自由度pid控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖分別為圖1和圖2所示?！　?br>
圖2中，前饋補(bǔ)償器h（s）＝－（a＋bs）。若與圖1的ff型二自由度pid控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，則a－kpα，b－kpβtd。主控制器中神經(jīng)元的比例系數(shù)k能在線自適應(yīng)調(diào)整以適應(yīng)對(duì)象開(kāi)環(huán)增益的變化，提高系統(tǒng)的魯棒性和自適應(yīng)性。神經(jīng)元的比例系數(shù)k滿足下列關(guān)系：

這樣，增益自調(diào)整的神經(jīng)元二自由度pid控制算法可以歸納如下：

h（s）的作用是去除超調(diào)，使跟蹤給定的特性達(dá)到理想的要求，其中a、b的值可以根據(jù)對(duì)象仿真的結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)整定。若a增大，則系統(tǒng)的響應(yīng)速度將變慢；若a減小，則系統(tǒng)的響應(yīng)將加快。但會(huì)出現(xiàn)超調(diào)。只有當(dāng)給定值發(fā)生變化時(shí)，b的取值才影響系統(tǒng)跟蹤給定的速度及系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)情況，否則就不起作用。選取適當(dāng)?shù)腶、b值可以使系統(tǒng)跟蹤給定的速度快，而且無(wú)超調(diào)。

2　仿真結(jié)果
　　利用matlab／simulink仿真軟件對(duì)上面所提的增益自調(diào)整的神經(jīng)元二自由度pid控制方法在某生產(chǎn)耐火材料的燧道式爐中的應(yīng)用進(jìn)行仿真研究。某生產(chǎn)耐火材料的燧道式爐的傳遞函數(shù)為e－3s（見(jiàn)參考文獻(xiàn)1）。選取c＝0．05，l＝0．05，k（0）＝12，tv（0）＝3，a＝3，b＝1．6，ηp＝4100，ηi＝180，ηd＝800。仿真結(jié)果如下（給定值設(shè)定為5）：
（1）90秒時(shí)刻加擾動(dòng)值2

（2）對(duì)象開(kāi)環(huán)增益k＝1．6

（3）對(duì)象時(shí)間參數(shù)t＝68

3　結(jié)束語(yǔ)

從上面的仿真研究，表明燧道式爐增益自調(diào)整的神經(jīng)元二自由度pid控制可以不需要為建立對(duì)象模型進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，只要在線檢測(cè)過(guò)程的期望輸出值和實(shí)際輸出以形成自適應(yīng)控制律。該控制方法對(duì)具有不確定開(kāi)環(huán)增益的對(duì)象具有很強(qiáng)的魯棒性制與一自由度pid控制比較，它可以實(shí)現(xiàn)跟蹤給定和抑制擾動(dòng)雙最佳。它與常規(guī)的二自由度pid控制比較，由于k值的自調(diào)整及權(quán)值的自學(xué)習(xí)，使其具有自適應(yīng)控制能力。因此這種控制方法在工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。