基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制在船舶閥門遙控系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳瑜

摘要：船舶閥門遙控系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變的控制系統(tǒng)。常規(guī)的PID控制由于局限性，不能較好地控制閥門開度，于是提出了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法來(lái)控制船舶閥門開度，增強(qiáng)閥門遙控系統(tǒng)的性能。本文在介紹了常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)其重要參數(shù)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID調(diào)控，可以使系統(tǒng)獲得更好的調(diào)節(jié)效果。

關(guān)鍵詞：船舶閥門遙控系統(tǒng);BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);常規(guī)PID控制

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）09-0009-01

0 引言

在現(xiàn)代船舶工業(yè)中，控制船體平衡是一個(gè)重要課題。船只在裝卸貨物時(shí)肯定會(huì)出現(xiàn)載荷不平衡的狀態(tài)，此時(shí)必須通過(guò)調(diào)節(jié)液艙或壓載艙的液體來(lái)達(dá)到船體平衡。傳統(tǒng)的PID控制器構(gòu)成的船舶閥門遙控系統(tǒng)不能很好地控制船舶各液艙及壓載艙的平衡。本文將各液艙及壓載艙壓力、液位、溫度等信號(hào)引入到控制系統(tǒng)中，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)決策，使船舶液艙或壓載艙在突然產(chǎn)生變化時(shí)，預(yù)先調(diào)節(jié)閥門開度，同時(shí)把流量信號(hào)引入到控制系統(tǒng)。大大地降低了各液艙或壓載艙液位的超調(diào)量，優(yōu)化了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力[1]。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制在船舶閥門遙控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

作為目前各領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之一，BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擁有其獨(dú)特的學(xué)習(xí)能力。它通過(guò)逆向傳播和前反饋訓(xùn)練，存儲(chǔ)并學(xué)習(xí)大批次的輸入、輸出模式關(guān)系。

1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶閥門PID控制器

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶閥門PID控制器主要由兩種控制器組成，一種是常規(guī)的PID控制器，另一種是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器NN。傳統(tǒng)PID控制器對(duì)船舶液艙、壓載艙采樣控制，三個(gè)參數(shù)、、根據(jù)船體平衡度狀態(tài)變化在線整定。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器包含NNI網(wǎng)絡(luò)識(shí)別器和NNC網(wǎng)絡(luò)控制器。它根據(jù)閥門遙控系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)變化狀態(tài)不斷學(xué)習(xí)，微調(diào)系數(shù)、從而整定PID的三個(gè)重要參數(shù)，達(dá)到控制性能的最優(yōu)化[2]。

1.3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶閥門控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的船舶閥門遙控系統(tǒng)如圖1所示分三層結(jié)構(gòu)：傳感器單元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID閥門控制器、顯示操作單元。各個(gè)單元相互協(xié)作，先通過(guò)傳感器單元接受各類信號(hào)，后經(jīng)神經(jīng)PID控制器運(yùn)算，輸出控制繼電器遠(yuǎn)程控制閥門狀態(tài)。并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)控計(jì)算機(jī)和操縱顯示面板上顯示出相關(guān)所有狀態(tài)參數(shù)。

1.3.1 傳感器單元

傳感器單元檢測(cè)各個(gè)液艙或者壓載艙的狀態(tài)信號(hào)，包括液位、溫度、壓力和船舶吃水狀態(tài)等。傳感器單元先將它們統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為4到20mA電流信號(hào)，然后送入神經(jīng)PID控制器，作為控制器的輸入信號(hào)。

1.3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID閥門控制器

控制器獲取各類傳感器信號(hào)，諸如閥門、泵的狀態(tài)信號(hào)和壓載艙或液艙液位、溫度、壓力信號(hào)等。通過(guò)神經(jīng)PID運(yùn)算，輸出控制繼電器遠(yuǎn)程控制閥門狀態(tài)。神經(jīng)PID控制器一方面通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)建立通信，將接收到的信息發(fā)送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。另一方面，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元，向操縱顯示面板發(fā)送信號(hào)，點(diǎn)亮壓載水或艙底水示意圖的相關(guān)指示燈，并且反映出閥門和泵的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

1.3.3 顯示操作單元

同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及操縱顯示面板傳送各閥門的關(guān)閉、閥門開度以及泵運(yùn)行指示燈信號(hào)。

1.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID閥門控制器硬件組成

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID閥門控制器硬件主要由A/D轉(zhuǎn)換芯片、神經(jīng)元芯片、D/A轉(zhuǎn)換芯片組成。傳感器單元采集的各液艙液位、壓力、溫度、流量信號(hào)時(shí)模擬信號(hào)，需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片TMPN3150進(jìn)行處理。

1.4.1 A/D轉(zhuǎn)換芯片

AD7888是一種多通道高精度A/D轉(zhuǎn)換器。它通常在單電源狀態(tài)下工作，效率高且低耗能。它包含8個(gè)模擬量輸入通道。每個(gè)模擬量輸入通道可單獨(dú)工作[3]。

1.4.2 神經(jīng)元芯片TMPN3150

TMPN3150含有3個(gè)高效CPU。1號(hào)CPU是訪問控制處理器，它驅(qū)動(dòng)硬件并且執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。2號(hào)CPU是網(wǎng)絡(luò)處理器，它處理網(wǎng)絡(luò)變量、控制網(wǎng)絡(luò)通訊端口，負(fù)責(zé)發(fā)送接受數(shù)據(jù)包。3號(hào)CPU是執(zhí)行處理器，它執(zhí)行用戶創(chuàng)建的代碼應(yīng)用程序。

1.4.3 D/A轉(zhuǎn)換芯片

TLV5616是一種數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。它擁有4條獨(dú)立的串行接口，能夠?qū)⒏鱾€(gè)串行口無(wú)縫連接。它的數(shù)字量電源及模擬量電源分別獨(dú)立供給，電源電壓范圍在2.7V至5V之間。

1.5 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID船舶閥門控制系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)軟件主要包括初始化子程序、數(shù)據(jù)收集子程序、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制子程序、參數(shù)發(fā)送和顯示子程序。軟件功能為先進(jìn)入初始化子程序，然后實(shí)時(shí)采集各液艙和壓載艙溫度、壓力、液位等信號(hào)。在船舶載荷變化產(chǎn)生艙位不平衡工況時(shí)，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制算法，通過(guò)控制閥門開閉及閥門開度進(jìn)行系統(tǒng)控制，最終實(shí)現(xiàn)各艙位平衡。

2 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的船舶閥門遙控系統(tǒng)。在船舶載荷突然產(chǎn)生變化、液艙或壓載艙出現(xiàn)不平衡時(shí)，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的船舶閥門遙控系統(tǒng)比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)具有更好的控制效果，在更短的時(shí)間內(nèi)平衡船體，且比傳統(tǒng)控制方式超調(diào)量更小?？刂葡到y(tǒng)硬件、軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比較容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用前景較為廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 靳占光.多功能船舶閥門系統(tǒng)微機(jī)系統(tǒng)控制方案[J].海洋技術(shù)，2014，23（03）：130-133.

[2] 舒懷林.PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其控制系[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[3] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2003.

Abstract：The ship valve remote control system is a nonlinear and time-varying control system. Due to the limitation of conventional PID control， the valve opening cannot be well controlled， so the BP neural network PID control method is proposed to control the valve opening of the ship and enhance the performance of the remote control system of the valve.In this paper， based on the conventional PID control， through the neural network PID control of its important parameters， the system can obtain better regulation effect.

Key words：ship valve remote control system; BP neural network; traditional PID controller