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      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

      2015-01-27 01:30:32吳玉厚
      關(guān)鍵詞:調(diào)平高空作業(yè)被控

      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。

      [1]劉軍.電動(dòng)吊籃使用過程中應(yīng)著重控制的幾個(gè)環(huán)節(jié)[J].建筑安全,2002,5.

      [2]李美芳,陸衛(wèi)倩,王琰.ZLD2-B 型微電腦外墻高空吊籃的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造,2004.

      [3]黃向華.控制系統(tǒng)仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

      [4]Passino KM.Bridging the gap between conventional and intelligent control.IEEE Control Systems Magazine,1993,3.

      [5]BennettS. The past of PID controllers.Annual Reviews in Control,2001,25.

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