智能控制第7章典型神经网络

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1、7.1单神经元网络第7章典型神经网络2神经元模型图7-1中为神经元的内部状态，为阈值，为输入信号，，为表示从单元到单元的连接权系数，为外部输入信号。单神经元模型可描述为：通常情况下，取即图7-1单神经元模型常用的神经元非线性特性有以下四种：（1）阈值型图7-2阈值型函数（2）分段线性型图7-3分段线性函数（3）Sigmoid函数型图7-4Sigmoid函数7.2BP神经网络1986年，Rumelhart等提出了误差反向传播神经网络，简称BP网络（BackPropagation），该网络是一种单向传播的多层前向网络。误差反向传播的BP算法简称BP算法，其基

2、本思想是梯度下降法。它采用梯度搜索技术，以期使网络的实际输出值与期望输出值的误差均方值为最小。7.2.1BP网络特点（1）是一种多层网络，包括输入层、隐含层和输出层；（2）层与层之间采用全互连方式，同一层神经元之间不连接；（3）权值通过δ学习算法进行调节；（4）神经元激发函数为S函数；（5）学习算法由正向传播和反向传播组成；（6）层与层的连接是单向的，信息的传播是双向的。7.2.2BP网络结构含一个隐含层的BP网络结构如图7-5所示，图中为输入层神经元，为隐层神经元，为输出层神经元。图7-5BP神经网络结构7.2.3BP网络的逼近BP网络逼近的结构如图7

3、-6所示，图中k为网络的迭代步骤，u(k)和y(k)为逼近器的输入。BP为网络逼近器，y(k)为被控对象实际输出，yn(k)为BP的输出。将系统输出y(k)及输入u(k)的值作为逼近器BP的输入，将系统输出与网络输出的误差作为逼近器的调整信号。图7-6BP神经网络逼近用于逼近的BP网络如图7-7所示。图7-7用于逼近的BP网络。BP算法的学习过程由正向传播和反向传播组成。在正向传播过程中，输入信息从输入层经隐层逐层处理，并传向输出层，每层神经元（节点）的状态只影响下一层神经元的状态。如果在输出层不能得到期望的输出，则转至反向传播，将误差信号（理想输出与实

4、际输出之差）按联接通路反向计算，由梯度下降法调整各层神经元的权值，使误差信号减小。（1）前向传播：计算网络的输出。隐层神经元的输入为所有输入的加权之和：隐层神经元的输出采用S函数激发：则（1）前向传播：计算网络的输出。隐层神经元的输入为所有输入的加权之和：隐层神经元的输出采用S函数激发：则输出层神经元的输出：网络输出与理想输出误差为：误差性能指标函数为：（2）反向传播：采用δ学习算法，调整各层间的权值。根据梯度下降法，权值的学习算法如下：输出层及隐层的连接权值学习算法为：k+1时刻网络的权值为：隐层及输入层连接权值学习算法为：其中k+1时刻网络的权值为：

5、如果考虑上次权值对本次权值变化的影响，需要加入动量因子，此时的权值为：其中,为学习速率，为动量因子。阵(即为对象的输出对控制输入的灵敏度信息)算法为：其中取7.2.4BP网络的优缺点BP网络的优点为：（1）只要有足够多的隐层和隐层节点，BP网络可以逼近任意的非线性映射关系；（2）BP网络的学习算法属于全局逼近算法，具有较强的泛化能力。（3）BP网络输入输出之间的关联信息分布地存储在网络的连接权中，个别神经元的损坏只对输入输出关系有较小的影响，因而BP网络具有较好的容错性。BP网络的主要缺点为：（1）待寻优的参数多，收敛速度慢；（2）目标函数存在多个极值点

6、，按梯度下降法进行学习，很容易陷入局部极小值；（3）难以确定隐层及隐层节点的数目。目前，如何根据特定的问题来确定具体的网络结构尚无很好的方法，仍需根据经验来试凑。由于BP网络具有很好的逼近非线性映射的能力，该网络在模式识别、图像处理、系统辨识、函数拟合、优化计算、最优预测和自适应控制等领域有着较为广泛的应用。由于BP网络具有很好的逼近特性和泛化能力，可用于神经网络控制器的设计。但由于BP网络收敛速度慢，难以适应实时控制的要求。7.2.5BP网络逼近仿真实例使用BP网络逼近对象：BP网络逼近程序见chap7_1.m7.2.6BP网络模式识别由于神经网络具有

7、自学习、自组织和并行处理等特征，并具有很强的容错能力和联想能力，因此，神经网络具有模式识别的能力。在神经网络模式识别中，根据标准的输入输出模式对，采用神经网络学习算法，以标准的模式作为学习样本进行训练，通过学习调整神经网络的连接权值。当训练满足要求后，得到的神经网络权值构成了模式识别的知识库，利用神经网络并行推理算法对所需要的输入模式进行识别。当待识别的输入模式与训练样本中的某个输入模式相同时，神经网络识别的结果就是与训练样本中相对应的输出模式。当待识别的输入模式与训练样本中所有输入模式都不完全相同时，则可得到与其相近样本相对应的输出模式。当待识别的输入

8、模式与训练样本中所有输入模式相差较远时，就不能得到正确的识别结果，此时可将这一模