MATLAB環(huán)境下的單神經(jīng)元自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)

1、基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(60274020,69974017;河北自然科學(xué)基金(602621;廣西自然科學(xué)基金(0135065收稿日期:2003-06-13收修改稿日期:2004-02-10MAT LAB 環(huán)境下的單神經(jīng)元自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)王俊國(guó),王永驥,萬(wàn)淑蕓(華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系自動(dòng)化研究所,湖北武漢430074摘要:利用神經(jīng)元模型和自學(xué)習(xí)功能構(gòu)成自適應(yīng)PI D 控制器,在Matlab 實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)環(huán)境xPC T arget 下建立液位實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。給出了單神經(jīng)元自適應(yīng)PI D 控制器的結(jié)構(gòu)和控制算法,介紹了基于xPC T arget 的快速原型設(shè)計(jì)方法,即通過(guò)拖拉S imulink

2、 模塊搭建被控對(duì)象的實(shí)時(shí)原型,同時(shí)以神經(jīng)元自適應(yīng)PI D 控制器完成系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。為檢驗(yàn)控制效果還采用了PI D 控制器進(jìn)行液位實(shí)時(shí)控制。最終結(jié)果表明:單神經(jīng)元自適應(yīng)控制能克服傳統(tǒng)PI D 控制器不穩(wěn)定的缺點(diǎn),使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞:神經(jīng)元;S imulink ;xPC T arget ;自適應(yīng)控制中圖分類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1002-1841(200404-0021-01R eal 2time Single N euron Adaptive Control System B ased on Matlab E nvironmentWANG Jun 2guo ,WA

3、NG Yong 2ji ,WAN Shu 2yun(Institute of Automation ,Department of C ontrol Science and Engineering ,Huazhong University of Science and T echnology ,Wuhan 430074,China Abstract :Real 2time level process control system was devised on the basis of xPC T arget s oftware environment of Matlab.Meanwhile an

4、 adaptive PI D controller were designed by means of neuron m odel and self 2learning alg orithm.The architecture and alg orithm of the single neuron adaptive PI D controller were discussed.The rapid prototyping process which created block diagrams in S imulink using sim 2ple drag and drop operations

5、 was introduced in detail.The real 2time control system adopted adaptive PI D controller was created through S imulink m odel with xPC T arget.In order to verify the performance of tw o approaches ,the PI D alg orithm was als o used to control the lev 2el system.The results indicate that the propose

6、d method can overcome the shortcoming of the traditional PI D controller and achieve satis 2factory stability.K ey Words :Neuron ;S imulink ;xPC T arget ;Adaptive C ontrol1引言在工業(yè)控制中,傳統(tǒng)的PI D 控制至今仍處于主導(dǎo)地位,其缺點(diǎn)主要是PI D 參數(shù)一般由人工整定,且一次性整定得到的PI D 參數(shù)很難保證其控制效果始終處于最佳狀態(tài)1。針對(duì)PI D 調(diào)節(jié)器不能有效跟蹤控制系統(tǒng)參數(shù)變化這一弱點(diǎn),利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有自學(xué)習(xí)、自組織

7、的功能和聯(lián)想記憶、并行處理的優(yōu)勢(shì),以具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的單神經(jīng)元來(lái)構(gòu)成先進(jìn)的自適應(yīng)PI D 控制器,并將其應(yīng)用于液位控制實(shí)驗(yàn)裝置,組成基于Matlab 實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)環(huán)境下的單神經(jīng)元液位實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。由于控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能適應(yīng)環(huán)境變化,有較強(qiáng)的魯棒性,因而控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。2液位控制實(shí)驗(yàn)裝置整個(gè)液位實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示 。圖1液位過(guò)程控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖液體從水槽經(jīng)離心泵、可視流量計(jì)、伺服閥流入雙室水箱。液位信號(hào)經(jīng)液位傳感器、變送器采集的420mA 電流信號(hào),通過(guò)I/V 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),由PC L812PG 卡經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后送計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)由軟件分析計(jì)算后給出控制信號(hào),

8、經(jīng)PC L812PG 卡D/A 輸出電壓信號(hào),通過(guò)V/I 轉(zhuǎn)換成420mA 的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服閥來(lái)調(diào)節(jié)流量大小,最終使液位控制達(dá)到期望值。3單神經(jīng)元自適應(yīng)控制算法單神經(jīng)元自適應(yīng)PI D 控制的結(jié)構(gòu)如圖2所示2。其中神經(jīng)元輸入的3 個(gè)狀態(tài)量分別為圖2單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制系統(tǒng)框圖x 1(k =e =e (k -e (k -1x 2(k =e (k x 3(k =2e =e (k -2e (k -1+e (k -2單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器是通過(guò)對(duì)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能,權(quán)系數(shù)的調(diào)整是根據(jù)有監(jiān)督的Hebb 學(xué)習(xí)規(guī)則實(shí)現(xiàn)的?？刂破鞯妮敵鰹閡 (k =u (k -1+k 3i =1w i

9、 (k x i (k 而加權(quán)值的學(xué)習(xí)則采用規(guī)范化的學(xué)習(xí)算法,公式為w i (k =w i (k /3i =1|w i (k |w 1(k =w 1(k -1+p z (k u (k x 1(k w 2(k =w 2(k -1+i z (k u (k x 2(k w 3(k =w 3(k -1+d z (k u (k x 3(k 式中:k 為神經(jīng)元的比例系數(shù);p ,i ,d 分別為(下轉(zhuǎn)第29頁(yè)2004年儀表技術(shù)與傳感器2004第4期Instrument T echnique and Sens or No 14時(shí)溫度顯示,平均的測(cè)溫值以及設(shè)定值顯示。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析由于溫度場(chǎng)本身是一種滯后較大的控

10、制場(chǎng),而在設(shè)計(jì)溫度控制的時(shí)候沒(méi)有冷卻設(shè)備,因此在溫度調(diào)節(jié)的過(guò)程中采用了分段逼近式溫度控制方案,即當(dāng)設(shè)定值與檢測(cè)值溫差較大時(shí),采用大功率加熱,隨著溫度的升高逐步減小加熱的功率,直至停止加熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該算法的運(yùn)用使整個(gè)系統(tǒng)的超調(diào)量大大減小。實(shí)驗(yàn)的溫升曲線如圖6所示 。圖6溫升曲線從圖6中可以看出在35s ,溫度達(dá)到36左右時(shí)曲線有一個(gè)明顯凹凸性的變化,這是因?yàn)楫?dāng)溫度達(dá)到36,由于溫差的變小,軟件關(guān)掉了一條加熱絲,減小了加熱功率的緣故。從室溫加熱到40只需要1min ,而溫度調(diào)節(jié)的超調(diào)量小于015%,采用這種控制方案后,控制的效果是比較理想的。6結(jié)論該溫度測(cè)控系統(tǒng)性能價(jià)格比很高,充分利用了一線

11、數(shù)字溫度傳感器DS18B20單總線功能,減小了系統(tǒng)布線的復(fù)雜程度,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)軟件模塊化以后,可讀性增強(qiáng),便于修改和移植,其設(shè)計(jì)思路和方法可以很好的應(yīng)用在多種情況下的溫度測(cè)控系統(tǒng)中,系統(tǒng)的擴(kuò)展方便,具有一定的借鑒作用。系統(tǒng)已運(yùn)用在所設(shè)計(jì)的化學(xué)熒光免疫定量檢測(cè)系統(tǒng)中,運(yùn)行穩(wěn)定,應(yīng)用前景廣闊。參考文獻(xiàn)1余永權(quán).AT ME L89系列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù).北京:北京航空航天大學(xué)器件,2002(3:39-41.3馬家辰,孫玉德.MCS -51單片機(jī)原理及接口技術(shù).哈爾濱:哈爾與傳感器,2002(11:10-12.5DS18B20數(shù)據(jù)手冊(cè).DA LLAS 公司.(上接第21頁(yè)比例、積分、微分的學(xué)習(xí)

12、速率,取值在01之間。由于w i (k 可以通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,故可大大提高控制器的魯棒性能,保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4Simulink 實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)環(huán)境下的過(guò)程控制xPC T arget 是一個(gè)基于實(shí)時(shí)工作間的快速原型設(shè)計(jì)方法,用于控制器的實(shí)時(shí)測(cè)試和開(kāi)發(fā),而且支持100多種I/O 設(shè)備板卡。使用xPC T arget ,只需安裝相應(yīng)的軟件、C 語(yǔ)言編譯器和數(shù)據(jù)采集卡,就可將計(jì)算機(jī)用作實(shí)時(shí)系統(tǒng),將傳感器、執(zhí)行部件等真實(shí)的物理部件與S imulink 的模型直接聯(lián)系起來(lái),搭建起被控對(duì)象的實(shí)時(shí)原型3。xPC T arget 無(wú)需手工編寫代碼,只需在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)運(yùn)行由RT W 產(chǎn)生的代

13、碼,就能讓S imulink 模型根據(jù)實(shí)時(shí)的采集量進(jìn)行動(dòng)力學(xué)解算,并輸出真實(shí)的控制信號(hào),因而是實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)信號(hào)處理的理想工具。整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程為(1在S imulink 模型庫(kù)窗口下展開(kāi)xPC T arget ,拖出Analog Input 、Analog Output 模塊,雙擊兩模塊,找到所用板卡的型號(hào)(PC L 812PG 并確認(rèn)板卡基地址(設(shè)定為220H ,按照參數(shù)選項(xiàng)依次給定實(shí)際采樣時(shí)間(0101s 、輸入(輸出通道以及輸入(輸出電壓范圍;同時(shí),在S imulink 專用模塊中拖出C onstant 模塊、G ain 模塊和Sum 模塊。(2簡(jiǎn)單的PI D 算法可以直接用S imuli

14、nk 模塊搭建,但復(fù)雜的控制算法用普通的S imulink 模塊不容易搭建,因此可以使用S imulink 支持的S 函數(shù)形式,用C 語(yǔ)言寫出控制算法程序,并用MEX 命令進(jìn)行編譯,生成所需的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)(D LL 文件,供封裝的S 函數(shù)模塊調(diào)用。將上述模塊按照過(guò)程控制的要求,構(gòu)造出系統(tǒng)框圖模型的圖形交互界面,即得到一個(gè)數(shù)據(jù)采集和控制的實(shí)時(shí)系統(tǒng),如圖3所示。其中C onstant 模塊是系統(tǒng)液位的給定值,Analog Input 模塊是實(shí)際的采樣值,兩個(gè)模塊的量綱不同,經(jīng)G ain 模塊縮小后整定成相同量綱的模塊,二者的差值送Sum 模塊;經(jīng)過(guò)S 函數(shù)模塊后系統(tǒng)發(fā)出控制指令,并通過(guò)Analog Output 模塊輸出控制量給過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置,完成系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。S imulink 環(huán)境下的參數(shù)設(shè)定須注意的是:采樣時(shí)間要與板卡采樣時(shí)間一致;仿真步長(zhǎng)和仿真模式要分別設(shè)為固定步長(zhǎng)和外部模式 。圖3用S imulink 模塊構(gòu)成的液位實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)圖4即實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)曲線,其中控制算法采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PI D 控制,神經(jīng)元的比例系數(shù)k 為018,p ,i ,d 依次為0194,01024,012。圖5為采用增量式PI D 控制器得到的液位控制曲線。圖4實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)環(huán)境下單神經(jīng)元自適應(yīng)PI D 控制算法得到的液位控制曲線比較圖4、圖5發(fā)現(xiàn),單神經(jīng)元自適應(yīng)PI D 控制的調(diào)節(jié)時(shí)間略長(zhǎng),