PID自适应控制

PIDAdaptiveControl

●夏　红　　　　王　慧　　　　李　平XiaHong　WangHui　　　LiPing

1　引言

在PID控制中,一个关键的问题便是PID参数整定。传统的方法是在获取对象数学模型的基础上,根据某一整定原则来确定PID参数。然而实际的工业过程往往难以用简单的一阶或二阶系统来描述,且由于噪声、负载扰动等因素的干扰,还可以引起对象模型参数的变化甚至模型结构的改变。这就要求在PID控制中,不仅PID参数的整定不依赖于对象数学模型,而PID参数能在线调整,以满足实时控制的要求。本文提出将PID继电自整定与神经网络相结合,共同完成PID自适应控制任务。2　系统构成

　　基于继电反馈的PID参数自动整定方法

用继电特性的非线性环节代替Ziegler─Nichols法中的纯比例器,使系统出现极限环,从而获得所需的临界值。

设继电器特性幅值为d,继电器滞环宽度为h,且被控过程的广义对象传递函数为G(S),用N代表非线性元件的描述函数,则对无滞环的继电器型有

(1)　　　　　N=(4d/πa)<0对于具有滞环的继电器非线性有(2)　　　N=2(4d/πa)<-arcsin(h/a)中,a为继电器型非线性环节输入的一次谐波振幅。

只要满足方程:

ω)=-(1/N)(3)　　　　G(j

则系统输出将出现极限环。得到的临界增益Ku为:

(4)　　　　　Ku=(4d/πa)

临界振荡周期tu通过直接测量相邻两个输出过零的时间值确定。

对继电器型自动整定过程中控制器数的计算有许多种方法,考虑到神经网络的自适应及学习功能,以及各种计算方法的复杂程度,本文选用较为简单的临界比例度法,即

kc=0.6ku　ti=0.5tu　td=0.125tu

如图1所示,PID控制器由一个二层线性网络构造[1,2],网络权的初值由PID继电自整定法[3]提供。实施控制时,先将开关T置于S处,进行PID参数整定,将所得的参数做适当的修正后作为网络权的初值,然后将开关T置于V处,进入系统自适应控制。2.1　PID继电自整定

图1PID自适应控制系统

式中,kc为比例增益,ti为积分时间,td为微分时间。2.2　神经网络PID控制器

根据PID控制器的近似离散算式,用一个两

夏　红,现在浙江大学工业控制研究工作。地址:杭州市邮政编码:310027收稿日期:1995年9月30日(磁盘来稿)

自动化与仪表　第11卷　1996　第4期　・41　・

PID自适应控制夏　红　王　慧　李　平

本文选用三种在实际工业过程中较具代表

性的过程函数,进行仿真研究。并将本文所提出的PID自适应控制法,与应用较广的Ziegler———Nichols法、以及用(0,1)间的随机值作为神经网络PID控制器初值的控制法(以下简称0———1法),进行设定值改变及负载扰

图2神经网络PID控制器

层线性神经网络构造控制器,如图2所示。其输入层为:

(5)　　　　P1(t)=e(t)

P2(t)=∑e(i)ts

i=ot

动控制响应的比较。

4.1　一阶加纯滞后过程

　　　　G(S)=Kpe-τs/(TS+1)取kp=1τ,=1,T=1

(10)

(6)

Δe(t)e(t)-e(t-1)(7)=

tsts

式中,ts为采样时间。网络的输出为

u(t)=W1P1(t)+W2P2(t)+W3P3(t)(8)其中{W1}为权系数。可见此神经网络控制器具有PID控制器结构。

神经网络PID控制器系数修正算式为:

ΔWi(t)=lr[yr(t+1)-y(t+1)]

5Y(T+1)(9)Pi(t)=

5u(t)其中,05(y+1)y(t+1)-y(t)=

5u(t)u(t)-u(t-1)

由此,神经网络权系数Wi便可在线修正。

网络权系数Wi的初值,本文采用由PID继电自整定所获取的参数值来确定。权系数初值的确定,不仅关系到网络能否达到全局最小点,同时对网络学习时间的长短有较大的影响。由继电自整定法整定而得的PID参数,在控制要求不是很高的情况下,基本能满足要求。因此,将继电自整定PID参数做适当修正,作为{Wi}的初值。

W1(0)=akc

P3(t)=

W2(0)=akc/tiW3(0)=akctd

由图3可知,ZN法的超调量较大;0———1法的回复时间较长,并且其负载响应在3种方法中是最差的;PID神经自适应法用继电自整定PID参数作神经网络初值,不但降低了超调量,减弱了过程响应的振荡程度,并使回复时间减短,复载响应质量也有所改善。

图3一阶加纯滞后过程响应曲线4.2　二阶加纯滞后过程G(S)=kpe-τs/[(T1S

(11)+1)(T2S+1)]

取kp=0.18676τ,=0.5,T1=2.5,T2=0.25

从图4中可以看出,对二阶加纯滞后过程,PID神经自适应法与Z———N法相比,其降低

了过程响应的超调量,减弱了振荡程度;与0———1法相比,虽然响应的超调量有所增加,但回复时间减短,负载响应质量提高。同时,比较曲线3、4可知,随α减小,过程响应的超调量降低,回复时间加长,负载响应逐渐变坏,所以a的选取,应综合考虑超调量、回复时间以及负载响应等多方面的因素。4.3　高阶过程

(12)　　　　G(S)=Kp/(1+TS)n取kp=1,n=4,T=1

由于网络初值选取不当,0—1法造成过程响应急剧振荡,超调量及回复时间较大,如图5

其中,04　仿真研究

　・42　・　AutomationandInstrumentationvol.11No.41996

控制系统

5　结论

本文提出了将PID继电自整定与神经网络PID控制器相结合的PID自适应控制法。以神经网络构造PID控制器,解决了PID参数在线调整的问题,使PID控制器适用范围更广。以继电自整定PID参数确定网络初值,使过程响应超调量降低,回复时间减短,控制质量提高。仿真结果表明,此方法是可行的。■

参考文献

1K.J.Hunt,D.Sbarbaro,R.ZbikowskiandP.J.Gawthrop“,Neu2ralNetworksforControlSystems—ASurvey”,Automatica,Vol.28,No.6,1992,1083～1112.

2谭永红.基于BP神经网络的自适应控制.控制理论与应用,1994,11(1).84～87.

3K.J.奥斯特隆姆,B.威顿马克.自适应控制.科学出版社,1992,218～223.

图4二阶加纯滞后过程响应曲线

图5高阶过程响应曲线

所示。如同以上两种典型过程,在此高阶过程中,PID神经自适应法在设定值响应、负载响应时,综合质量仍是较佳的。

4焦李成.神经网络的应用与实现.西安电子科技大学出版社,1993,288～307.

(上接第40页)

图3两种控制器阶跃响应

3Shi-KuoChange,OntheExecutionofFuzzyProgramsUsing在上升时间、超调量、过渡时间和精度等方面指

Finite-StateMachine,IEEETrans.Computer,Vol.C-21,

标,以及对滞后的克服能力,ANN控制具有和

241～253,No.3,1972.

Fuzzy控制一样的控制效果。■

4应行仁,曾　南.采用BP神经网络记忆模糊规则的控制,自

参考文献动化学报,1(1991),63～67.

1D.A.RutherfordandG.C.Bloore,TheImp-lemetionofFuzzyAlgorithmsforcontrol,rocIEEE64(1976),572～573.2L.A.Zadeh,OutlineofaNewApprroachtotheAnalysisofComplexSystemsandDecisionProcesses,IEEETrans.Syst.Man,Cybern.,Vol.SMC-3,2844,No.1,1973.

5陈燕庆,鹿浩编著.神经网络理论及其在控制过程中的应用,

西北工业大学出版社,1991,6.

6应行仁,三层神经网络隐单元与样本记忆的关系.模式识别

与人工智能,3(1990),29～44.

自动化与仪表　第11卷　1996　第4期　・43　・

本期部分文章摘要

新型光电液位传感技术研究/蒋宗文…//自动化与仪表.～1996年,11(4).-5～7

应用光电转换技术的光电液位传感器具有灵敏度高、精度高、可远距离传输等特点。本文介绍三种新型光电液位传感器的原理与实施方法。

关键词:光电液位传感器　光源　光探测器

8098单片机在雷达数据显示系统中的应用/孙

国春…//自动化与仪表.～1996年,11(4).-1996年,11(4).-41～43

本文提出将PID继电自整定与神经网络相结合,共同完成PID自适应控制。以一个两层线性网络构造PID控制器,将由PID继电自整定法获取的PID参数值做适当的修正后作为网络权的初值,实现对系统的在线控制。关键词:PID控制　神经网络　自适应控制

电机无线遥控器/黄智伟…//自动化与仪表.～

1996年,11(4).-24～25

采用数字编码无线电遥控技术和电机正反转控制电路,构成电机无线电遥控器,具有遥控、手动、自动定位三种控制功能。关键词:电动机　数字编码　无线电遥控器

47～49

8098单片机与某型雷达显示器组成的数

据显示系统,在单片机与显示器同步工作的前

提下,能自2动完成数据采集及处理,将目标的高度以三位数字的形式在显示器上显示,提高了某型雷达的自动化程度。关键词:单片机　数据采集　同步显示8098STD工控机系统/雷友琴…//自动化与仪表.～1996年,11(4).-50～53

用BP神经网络记忆模糊规则的控制算法及其实现/刘曙光//自动化与仪表.～1996年,11(4)-39～40

BP神经网络可有效地记忆模糊控制规则,并以“联想记忆”方式使用这些经验。用这种方法设计的控制器与模糊控制器一样,具有良好的控制效果。

关键词:神经网络　模糊规则　控制器PID自适应控制/夏　红…//自动化与仪表.～

以8098单片机为核心的STD工控机系

统,主板既可用于组成工控机系统,也可单独用作智能仪表的控制核心。既可联机开发,也可自开发。系统配有监控程序及过程控制模块,大大简化了过程控制系统的设计工作。关键词:　8098STD工控机系统　过程控模块

　总线兼容　基本PID

(上接第55页)

(1)能提高或稳定产品质量。该系统能实

(4)由于不用大的主接触器,消除了现场噪

现各种加热曲线不同要求。自动进行PID控

制,炉温波动小,在1300℃范围以内,小于1.5℃,尤其适宜高温炉。高速钢工件加热淬火一次成品合格率可提高20%。

(2)节能效果十分明显。根据现场统计资料表明,可节约电能25%左右。

(3)节约维修时间和费用。因不用变档开关,解决了变档开关触点经常烧坏,频繁修理或更换所需费用与时间。同时磁性调压器具有承受短路不会损坏的特点,基本上无需维护。

声,改善了工人劳动条件。

(5)该系统用数字设定方式来实现调温、控温,故操作简便。

(6)该系统还可适用于中温盐浴炉和其他炉型(如电阻炉等)。■

参考文献

1黄一夫.微型计算机控制技术.机械工业出版社.2潘新民.微型计算机控制技术.人民邮电出版社.

3张津.8098单片机控制的自动加氨装置.电测与仪表,1994,2.

自动化与仪表　第11卷　1996　第4期　・65　・

AbstractsofSomeArticlesinThisLssue

ResearchontheNovelPhotoelectricTechniqueofDetectingLiquidLevel/JiangZongwen…//AutomationandInstrumen2ta-tion.-1996,11(4).-5～7

Thephotoelectricliquidleveltransducerhasaseriesofadvantages,suchasgoodsensiti-vity,highaccuracy,translatingmessagealonglongdistance.Inthispaper,theoperatingprin-cipleandpracticalmethodofthreekindsofnovelphotoelectricliquidleveltransducers,problemarepresented.Keywords:photoelectricliquidleveltransducer　lightsourcelight-electricdetectorAnElectricMotorRadioRemoteController/HuangZhiwei…//AutomationandInstrumentation.-1996,11(4).-24～25

Theelectricmotorradioremotecontrollerisusedbydigitalencodingradioremotecontroltech2niqueandelectricmotorpositiveandnegativeturncontrolcircuit.Itsthreekindsofcontrolfunctionareremotecontrol,manualcontrolandautomaticcontrol.Keywords:electricmotor　digitalencoding　radioremotecontrollerTheDesignandRealizationofaCoutrolAlgorithmImplementedbyRecodingtheFuzzyRulesUsingBPNeuralNetwork/LiuShuguang//AutomationandInstrumentation.-1996,11(4).-39～40

Back-Propagationneuralnetworkcanrecorkcanrecordthefuzzycontrolrulesefficiently,andu2tilizetheseexperiencesaccordingtoassociativememory.Thecontrollerdesignedbythismethodhasgoodcontrolaccuracylikethefuzzycontrollerdoes.Keywords:neuralnetworkfuzzyrules　controllerPIDAdaptiveControl/XiaHong…//AutomationandInstrumentation.-1996,11(4).-41～43

ThispaperpresentaPIDadaptivecontrolusingPIDrelayautotuningandneuralnetwork.Inor2dertocontrolasystemonline,atwo-layerlinearneuralnetworkisusedasaPIDcontro-llerandre2finedPIDparametersobtainedfromrelayautotuningarechosenastheinitialvaluesofthenetworkweights.

Keywords:PIDcontrolneuralnetwork　adaptivecontrolTheApplicationof8098Single-ChipMicrocomputerinDataDisplaySystemoftheRadar/SunGuochun…//AutomationandInstrumentation.-1996,11(4).-47～49

ProcessorsynchronouslyworkingwiththeCRT,thedatadisplaysystemonradarmonitorwith8098single-chipcomputercanautomaticallyaccomplishdatasamplinganddataprocessing,anddis2playheightoftheobjectonthemonitorin3digits,whicheffectivelyraisestheautoma-ticdegreeoftheradar.

Keywords:single-chipmicrocomputer　datasamplingsynchronousdisplay8098STDIndustrialControlComputerSystem/LeiYouqin…//AutomationandInstrumentation.-1996,11(4).-50～53

IntheSTDindustrialcontrolcomputerbasedon8098single-chipmicrocomputer.Themastercardcannotonlyusedtocomposeindustrialcontrolcomputerbutalsosinglyasthecontrolcoreforin2telligentmeters.Itisdevelopednotonlyoh-linewithuppercomputer,butalsoitself.Becausethesys2temhasamonitorprogramandthemodulesofprocesscontrol,theworksofsystemprojectarereducedgreatly.

Keywords:8098STDindustrialcontrolcomputersystemprocesscontrolmodulesBUS-compatible　basicPID

　・66　・　AutomationandInstrumentationvol.11No.41996