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，都必須進行復(fù)雜的參數(shù)整定，而且pid參數(shù)一旦確定下來，它也無法在線自調(diào)整，以適應(yīng)對象參數(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)控制要求建立對象的模型，而工業(yè)過程又普遍存在著不確定性，故難以在實際應(yīng)用中取得滿意的控制效果。近年來，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展。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的自學(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、具有不確定性的對象和過程。探索實用而有效的神經(jīng)控制理論和方法已成為研究者關(guān)注的熱點。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，只有一個神經(jīng)元，結(jié)構(gòu)簡單，學(xué)習(xí)過程比較快，能夠容易解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實時性不好這一難點?；谏窠?jīng)元的pid控制既保持了傳統(tǒng)pid控制的特點，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)，見圖2）k的值，對開環(huán)放大倍數(shù)較大的被控對象，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。對開環(huán)放大倍數(shù)較小的被控對象，則應(yīng)能增強神經(jīng)元的控制作用，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。實踐證明，k取得較大時，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取得過小，系統(tǒng)響應(yīng)則存在穩(wěn)態(tài)誤差。因此，k的取值將對神經(jīng)元控制系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大的影響，尤其是對于開環(huán)增益時變的對象，k的取值應(yīng)隨著對象的開環(huán)增益的變化而自動調(diào)整，這就要求控制器具有自動調(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。　　

圖2中，前饋補償器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)對象開環(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到理想的要求，其中a、b的值可以根據(jù)對象仿真的結(jié)果現(xiàn)場整定。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。但會出現(xiàn)超調(diào)。只有當(dāng)給定值發(fā)生變化時，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，而且無超調(diào)。

2　仿真結(jié)果
　　利用matlab／simulink仿真軟件對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（見參考文獻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秒時刻加擾動值2

（2）對象開環(huán)增益k＝1．6

（3）對象時間參數(shù)t＝68

3　結(jié)束語

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象模型進行系統(tǒng)參數(shù)辨識，只要在線檢測過程的期望輸出值和實際輸出以形成自適應(yīng)控制律。該控制方法對具有不確定開環(huán)增益的對象具有很強的魯棒性制與一自由度pid控制比較，它可以實現(xiàn)跟蹤給定和抑制擾動雙最佳。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。