?? 2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).htm
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<TABLE height=71 cellSpacing=0 cellPadding=0 width=778 border=0>
<TBODY>
<TR>
<TD width="100%" height=14>
<P><A
href="http://www.jgchina.com/ednns/ednnsbk/director.htm">回目錄</A>
<A
href="http://www.jgchina.com/ednns/ednnsbk/5.3.htm">上一頁(yè)</A>
<A href="http://www.jgchina.com/ednns/ednnsbk/6.htm">下一頁(yè)</A> </P></TD></TR>
<TR>
<TD width="100%" height=11>
<P>2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)</P></TD></TR>
<TR>
<TD width="100%" height=37>
<P>溫度控制是人們?cè)诠I(yè)．家庭生活等各個(gè)領(lǐng)域經(jīng)常遇到的控制系統(tǒng)。水溫控制是溫度控制的一種類(lèi)型。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)水溫控制是一種新的控制方式和控制手段。在這個(gè)水溫控制系統(tǒng)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練采取第2．2節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器與學(xué)習(xí)中所介紹的聯(lián)機(jī)學(xué)習(xí)方法與算法。
</P>
<P>一、溫度控制系統(tǒng)的模型</P>
<P>對(duì)一個(gè)連續(xù)溫度控制系統(tǒng)，可以用下面數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述</P>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="80%" align=center border=0>
<TBODY>
<TR>
<TD width="82%"><IMG height=44
src="2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).files/5.3.2.10.gif" width=212 border=0></TD>
<TD width="18%">(2.83)</TD></TR></TBODY></TABLE></TD></TR>
<TR>
<TD width="100%" height=18>
<P>其中：t是時(shí)間； </P>
<P>y(t)是輸出溫度；</P>
<P>f(t)是加給系統(tǒng)的熱量；</P>
<P>Y<SUB>o</SUB>是室溫，一膠為常數(shù)；</P>
<P>c是系統(tǒng)的熱容量；</P>
<P>R是系統(tǒng)邊界與周?chē)臒嶙琛?lt;/P>
<P>假定在式(2—83)中，RC是常數(shù)，從階躍響應(yīng)準(zhǔn)則可以得到其對(duì)應(yīng)的離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的表達(dá)式：</P>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="80%" align=center border=0>
<TBODY>
<TR>
<TD width="82%"><IMG height=24
src="2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).files/5.3.2.11.gif" width=303 border=0></TD>
<TD width="18%">(2.84)</TD></TR>
<TR>
<TD width="82%"><FONT size=2>其中：u(k)為系統(tǒng)輸人；
<BR>y(k)為系統(tǒng)輸出；<BR>T<SUB>s</SUB>為采樣周期；
<BR>a(T<SUB>s</SUB>)和b(T<SUB>8</SUB>)由下式?jīng)Q定：</FONT></TD>
<TD width="18%"></TD></TR>
<TR>
<TD width="82%"><IMG height=79
src="2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).files/5.3.2.12.gif" width=206 border=0></TD>
<TD width="18%">(2.85)</TD></TR></TBODY></TABLE></TD></TR>
<TR>
<TD width="100%" height=7>
<P>在式(2．85)中。α，β是由R，C確定的常數(shù)。
<P>在一般溫度控制中，輸出溫度不允許超過(guò)一定的極限值，也即是(2．83)所描述的系統(tǒng)具有飽和的非線(xiàn)性特性。故控制對(duì)象可以表達(dá)為：</P>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="80%" align=center border=0>
<TBODY>
<TR>
<TD width="82%"><IMG height=48
src="2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).files/5.3.2.13.gif" width=522 border=0></TD>
<TD width="18%">(2.86)</TD></TR></TBODY></TABLE></TD></TR>
<TR>
<TD width="100%" height=261>
<P>對(duì)于一個(gè)具體的系統(tǒng)，有 </P>
<P>α=1.00151*10<SUP>-4</SUP>
β=8.67973*10<SUP>-3</SUP></P>
<P>r=40.0
Y<SUB>o</SUB>=25.0℃</P>
<P>0≤u(k)≤5
T<SUB>s</SUB>>10S</P>
<P>這是一個(gè)實(shí)際水缸對(duì)象得到的有關(guān)參數(shù)。</P>
<P>把式(2．15)和式(2．86)作比較；顯然有p＝1，Q＝0。根據(jù)所選擇的參數(shù)，系統(tǒng)是一個(gè)水缸的單輸入單輸出溫度控制系統(tǒng)；這個(gè)系統(tǒng)在室溫到70℃之間呈現(xiàn)出線(xiàn)性特性，而再升到80℃左右則變成非線(xiàn)性同時(shí)達(dá)到飽和。</P>
<P>二、水缸溫度控制系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)</P>
<P>水缸溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2—25所示，它由水缸，計(jì)算機(jī)，接口部件，檢測(cè)器，功率控制部件和加熱器組成。</P>
<P align=center><IMG height=194 src="2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).files/5.3.2.14.gif"
width=623 border=0></P>
<P align=center>圖2-25 水缸溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</P></TD></TR>
<TR>
<TD width="100%" height=10>
<P>給定信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)作為控制的期望信號(hào)。計(jì)算機(jī)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換等接口部件接收溫度檢測(cè)器所檢測(cè)的結(jié)果，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部以軟件算法執(zhí)行學(xué)習(xí)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理，產(chǎn)生控制信號(hào)去控制功率驅(qū)動(dòng)部件，再使加熱器以恰當(dāng)?shù)墓β始訜幔患訜崞饕訮WM方式執(zhí)行功率調(diào)節(jié)。
</P>
<P>溫度檢測(cè)器為半導(dǎo)體溫度傳感器件，A/D轉(zhuǎn)換器為8位，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)在0—5V之間，它用于產(chǎn)生PWM的脈寬，加熱器功率為1.3KW，水缸是一個(gè)含7升水的小水缸。</P>
<P>考慮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成的對(duì)象仿真器PE和神經(jīng)控制器NC都用4層的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成。通過(guò)式(2．86)可知，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)輸入，一個(gè)為y(k)，一個(gè)為u(k)。這兩個(gè)輸入都?xì)w一化到-1和+1之間。每個(gè)隱層含有6個(gè)傳遞函數(shù)為s函數(shù)的神經(jīng)元。而輸出層則是一個(gè)線(xiàn)性神經(jīng)元。所以，PE和NC的結(jié)構(gòu)如圖2—26中所示</P>
<P align=center><IMG height=286 src="2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).files/5.3.2.15.gif"
width=523 border=0></P>
<P align=center>圖2-26 PE和NC的結(jié)構(gòu)</P></TD></TR>
<TR>
<TD width="100%" height=196>
<P>在計(jì)算機(jī)中．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器是通過(guò)軟件算法實(shí)現(xiàn)的。在整個(gè)系統(tǒng)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和對(duì)象仿真器的位置和作用如圖2—27中所示。從圖中可以看出對(duì)象仿真器PE的輸入是u(k)和y(k)，而輸出只有一個(gè)y<SUB>E</SUB>；神經(jīng)控制器NC也有兩個(gè)輸入，分別為r(k+1)和u(k-1)，而輸出則是u(k)。很明顯，這是一種間接適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)，采用這種結(jié)構(gòu)有利于對(duì)水缸的特性進(jìn)行學(xué)習(xí)。
</P>
<P align=center><IMG height=209 src="2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).files/5.3.2.16.gif"
width=626 border=0></P>
<P align=center>圖2-27 系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)</P></TD></TR>
<TR>
<TD width="100%" height=67>
<P>對(duì)于圖2—26所示的對(duì)象仿真器邢和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器NC，在實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)時(shí)采用下面規(guī)則對(duì)權(quán)系數(shù)進(jìn)行修改，即 </P>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="80%" align=center border=0>
<TBODY>
<TR>
<TD width="79%"><IMG height=45
src="2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).files/5.3.2.17.gif" width=361 border=0></TD>
<TD width="21%">(2.87)</TD></TR>
<TR>
<TD width="79%"><FONT size=2>也即是新的權(quán)系數(shù)Wn+1為</FONT></TD>
<TD width="21%"></TD></TR>
<TR>
<TD width="79%"><IMG height=82
src="2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).files/5.3.2.18.gif" width=271 border=0></TD>
<TD width="21%">(2.88)</TD></TR></TBODY></TABLE></TD></TR>
<TR>
<TD width="100%" height=685>
<P>其中：n是訓(xùn)練學(xué)習(xí)次數(shù)序號(hào)： </P>
<P>w是權(quán)系數(shù)；</P>
<P>η是學(xué)習(xí)速率；η＞O；</P>
<P>u>0，是修正系數(shù)；</P>
<P>J是誤差函數(shù)。</P>
<P>在對(duì)PE和NC執(zhí)行實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)之前，首先對(duì)PE進(jìn)行脫機(jī)的粗訓(xùn)練。對(duì)PE的脫機(jī)訓(xùn)練是以對(duì)對(duì)象的階躍響應(yīng)試驗(yàn)或脈沖響應(yīng)試驗(yàn)所紀(jì)錄的數(shù)據(jù)為依據(jù)的。為了得到對(duì)象的輸入輸出數(shù)據(jù)，把脈沖加到對(duì)象的輸入端，同時(shí)把對(duì)象的輸入輸出數(shù)據(jù)紀(jì)錄下來(lái)。為了復(fù)蓋控制空間的相關(guān)的范圍，在所紀(jì)錄的數(shù)據(jù)對(duì)中選擇10對(duì)能代表控制范圍的數(shù)據(jù)。為了使控制效果有一定的裕廢，最小和最大的數(shù)據(jù)應(yīng)比實(shí)際控制范圍要寬一些。</P>
<P>在PE通過(guò)脫機(jī)訓(xùn)練之后，可以得出了其初步的權(quán)系數(shù)；對(duì)于NC則隨機(jī)賦于小的權(quán)系數(shù)，以避免傳遞函數(shù)為s函數(shù)的神經(jīng)元飽和。在這樣初始條件下，則可以對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行實(shí)時(shí)運(yùn)行和學(xué)習(xí)。</P>
<P>三、實(shí)際控制過(guò)程及結(jié)果</P>
<P>對(duì)于實(shí)際水缸的水溫控制系統(tǒng)，它的控制給定曲線(xiàn)是一條階梯溫度曲線(xiàn)；這條給定的溫度曲線(xiàn)為：</P>
<P><IMG height=86 src="2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).files/5.3.2.19.gif" width=287
border=0></P>
<P>它的圖形如圖2-28所示。</P>
<P align=center><IMG height=457 src="2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).files/5.3.2.20.gif"
width=611 border=0></P>
<P align=center>圖2-28 給定溫度曲線(xiàn)</P></TD></TR>
<TR>
<TD width="100%" height=482>
<P>在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于水溫升高是較為緩慢的，所以對(duì)水溫的采樣周期選擇為30秒。這種采樣周期合符水缸水溫控制的實(shí)際情況。 </P>
<P>在每個(gè)采樣周期，對(duì)象仿真器PE更新15次，神經(jīng)控制器NC執(zhí)行11個(gè)學(xué)習(xí)周期。在神經(jīng)控制器的11個(gè)學(xué)習(xí)周期中，有10個(gè)周期采用有關(guān)的多次學(xué)習(xí)逼近，有1個(gè)周期采用間接適應(yīng)控制的學(xué)習(xí)方法。這些學(xué)習(xí)方法在2．2節(jié)中的聯(lián)機(jī)學(xué)習(xí)方法及算法已進(jìn)行了介紹。</P>
<P>在最初的10次試驗(yàn)中，神經(jīng)控制器NC在每個(gè)采樣周期中的多次學(xué)習(xí)逼近采用的是預(yù)測(cè)輸出誤差逼近；也即是說(shuō)，在每個(gè)采樣周期中有10個(gè)預(yù)測(cè)輸出誤差逼近學(xué)習(xí)周期，1個(gè)間接適應(yīng)控制學(xué)習(xí)周期。<BR>在隨后的各次試驗(yàn)中，則在每個(gè)采樣周期中，用5個(gè)直接逆控制誤差逼近學(xué)習(xí)周期和5個(gè)預(yù)測(cè)輸出誤差逼近學(xué)習(xí)周期。</P>
<P>在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)參數(shù)選擇如下：</P>
<P>學(xué)習(xí)速率η＝0.1；</P>
<P>修正系數(shù)α=0.2；</P>
<P>學(xué)習(xí)時(shí)的偏差函數(shù)采用誤差平方函數(shù)，形式如式(2．41)所示。</P>
<P>通過(guò)34次實(shí)時(shí)試驗(yàn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)中確定了權(quán)系數(shù)，則用這些權(quán)系數(shù)所最終描述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PE和NC對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行控制，可得出如圖2—29所示的控制效果。</P>
<P align=center><IMG height=366 src="2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).files/5.3.2.21.gif"
width=608 border=0></P>
<P align=center>圖2-29 34次試驗(yàn)后所得的控制效果</P></TD></TR>
<TR>
<TD width="100%" height=525>
<P>在圖2—29中，上圖是給定溫度曲線(xiàn)r(k)和控制結(jié)果曲線(xiàn)y(k)的變化情況。在給定溫度以階躍形式從室溫升到35℃時(shí)，大約經(jīng)過(guò)10個(gè)采樣周期，系統(tǒng)輸出會(huì)很好地跟蹤給定35℃的溫度。這時(shí)因?yàn)槭覝氐臏囟却蠹s為25℃。當(dāng)給定溫度從35℃階躍上升到55℃時(shí)，大約經(jīng)過(guò)18個(gè)采樣周期，輸出能很好地跟蹤給定的55℃，而當(dāng)給定溫度從55℃再以階躍形式上升到75℃時(shí)，大約經(jīng)過(guò)四個(gè)采樣周期后輸出能跟蹤給定的最終溫度75℃。這種特性和水缸的特性有關(guān)，因?yàn)樵浇咏?0℃，水缸的非線(xiàn)性特性越明顯。總的控制情況說(shuō)明：通過(guò)實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)象仿真器PE和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器NC能滿(mǎn)意地實(shí)現(xiàn)對(duì)水缸水溫的控制。
</P>
<P>在圖2—29中，下因給出的是神經(jīng)控制器Nc的輸出控制信號(hào)；很明顯，在采樣周期次數(shù)序號(hào)為k＝0—10時(shí)，NC的輸出u(k)是一幅值為5的方波；而在采樣序號(hào)k＝60—78時(shí)．PE輸出u(k)是一幅值為5而寬度為9分鐘的方波；而在k=120—140時(shí)，NC輸出U(k)是幅值為5同時(shí)寬度為10分鐘的方波。</P>
<P>當(dāng)空溫為20℃，而控制給定溫度曲線(xiàn)由下式給出：</P>
<P><IMG height=86 src="2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).files/5.3.2.22.gif" width=442
border=0></P>
<P>則控制的情況如圖2—30所示。</P>
<P align=center><IMG height=353 src="2．3．2 水溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).files/5.3.2.23.gif"
width=598 border=0></P>
<P align=center>圖2—30 階躍及勻速給定的響應(yīng)情況</P></TD></TR>
<TR>
<TD width="100%" height=29>
<P>在圖2—30中，上圖是系統(tǒng)的給定溫度曲線(xiàn)r(k)以及系統(tǒng)的輸出溫度曲線(xiàn)的響應(yīng)情況，從圖中看出系統(tǒng)有良好的響應(yīng)特性，特別是勻速給定的上升溫度曲線(xiàn)，即在60<K≤120時(shí)有很好的跟蹤能力。在圖中，當(dāng)k＝50時(shí)，人為加入+5℃的干擾；而在k＝150℃時(shí)，加入人為的-5℃干擾；而情況表明控制系統(tǒng)有很快的適應(yīng)能力。圖2—30的下圖則是神經(jīng)控制器Nc的輸出控制信號(hào)U(k)的波形。</P></TD></TR>
<TR>
<TD width="100%" height=22>
<P align=right><A
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<A href="http://www.jgchina.com/ednns/ednnsbk/6.htm">下一頁(yè)</A>
</P></TD></TR></TBODY></TABLE></BODY></HTML>
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