参数自整定PID过程控制器设计与仿真.pdf

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1、72参数自整定PID控制器设计与仿真参数自整定PID控制器设计与仿真DesignandEmulationofParameterSelf－tuningPIDController赵明明王志胜（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016）摘要对于工业控制领域中的系统普遍存在非线性、时变的特点，采用传统PID作为控制器很难获得满意的控制效果，而神经网络具有任意非线性逼近能力，可以通过对系统性能的学习来实现具有最佳组合的PID控制。设计了基于BP网络整定PID参数的控制器，该控制算法只需粗略给出PID参数

2、便可以根据系统性能自动寻优调整。利用MATLAB软件得到的仿真结果表明，该控制策略可以达到满意的控制效果，且具有很强的鲁棒性和自适应能力。关键词：PID，BP网络，MATLABAbstractInthefieldofindustrycontrol,thecontrolresultoftraditionalPIDcontrollerisnotsatisfiedforthesystemwhichisnon－linearantime－varying,sincetheabilityofnon－linearap

3、proximation,theneuralnetworkcanaccomplishtheoptimalcombina-tionofPIDcontrollerbystudyingthesystemperformance．Thispaperdesignstheparameterself－tuningPIDcontrollerbasedonBPnetwork,themethodneedsonlyinitialparametersofPIDcontroller,anditcanautomaticallytun

4、eaccordingtothesystemperformance．Keywords:PID,BPnetwork,MATLAB对于具有精确数学模型的线性定常系统，采用传统PID控式中，wkj为输出层加权系数，g（·）为输出层神经元活化函制器可以得到较好的控制效果，而且其控制算法简单，可靠性数，此处取为非负的Sigmoid函数：高。但由于工业生产中多为非线性、时变系统，无法对其进行精xeg（x）＝（5）x－x确建模，所以采用传统PID作为控制器很难达到控制性能要求。e＋eBP神经网络具有非线性逼近能力，泛

5、化能力，已被广泛用于系1．2BP网络学习的梯度下降法统辨识和参数整定。本文采用BP网络，建立参数自整定的PID梯度下降法也称最速下降法，是最常用的神经网络学习算控制器，以满足非线性、时变系统的控制性能要求。法。其基本原理为：假定神经元权值修正的目标是极小化标量函1BP神经网络数F（w）。如果神经元的当前权值为w（t），且假设下一时刻的权1．1BP神经网络基本结构值调节公式为：BP网络是一种单向传播的多层前向网络，采用多层结构，w（t＋1）＝w（t）＋△w（t）（6）包括输入层、多个隐含层、输出层，各层

6、间实现全连接，成功的解其中，△w（t）代表当前时刻的修正方向。显然，期望每次修决了多层网络中隐含层神经元连接权值的学习问题。本文中采正均有：用三层BP网络结构，且其各层神经F（w（t＋1））＜F（w（t））（7）元数目分别为3、4、3。已证明，三层对F（w（t＋1））进行一阶泰勒展开，得：BP网络能以任意精度逼近任意连续TF（w（t＋1））＝F（w（t）＋△w（t））≈F（w（t））＋g（t）△w（t）（8）函数。其结构示意图如图1所示。其中，g（t）＝塄F（w）｜为F（w）在w＝w（t）时的梯度矢量

7、。w＝w（t）对于图1中所示BP网络，其输取：入层输入矢量为：图1BP网络结构示意图△w（t）＝－ηg（t）（9）Xi＝x（i）（i＝1，2，3）（1）其中，η为学习率，为较小的正数，即权值修正量沿负梯度网络隐含层的输入、输出为：方向取较小值，则式(6)右边第二项必然小于零，于是式(5)必然3Hide＿Inj＝ΣwjiXi满足，这就是梯度下降法的基本原理。Σi＝1（2）2基于BP网络的PID控制器设计Hide＿Out＝f（Hide＿In）（j＝1，2，3，4）jj为了使PID控制器能够式中，wji为隐

8、含层加权系数，f（·）为隐含层神经元活化函数，适应工业控制中的非线性、此处取为正负对称的Sigmoid函数：时变系统，使其在系统参数x－xf（x）＝e－e（3）发生变化时自动调整自身参x－xe＋e数以满足性能指标，本文提网络输出层的输入、输出为：出了基于BP网络整定的4y＿ink＝ΣwkjHide＿OutjPID控制器设计，该控制器Σj＝1（4）图2BP网络整定PID控制器结构图y＝g（y－in）（k＝1，2，3）kk《工业控制计算机》2010年第23卷