单神经元自适应PID控制算法及仿真研究

单神经元PID控制算法及仿真研究I单神经元自适应PID控制算法及仿真研究摘要本文研究了神经网络PID算法的最简单结构--单神经元自适应PID算法，利用VB语言编写仿真程序，对常见一阶、二阶对象进行了神经网络PID仿真研究，并分析单神经元自适应PID控制的各参数对控制效果的影响，同时分析了单神经元PID较PID控制的优点。主要研究内容有以下几方面：1、概述了本课题研究的背景、PID控制和智能控制理论发展状况。传统PID控制的原理的介绍及仿真，主要介绍了PID的控制原理以及参数整定的工程方法，并用MATLAB对其进行仿真。2、单神经元自适应PID控制的研究。主要介绍了单神经元自适应PID控制的原理和单神经元自适应PID控制算法，使用VB编写程序，对一阶、二阶系统分别用单神经元自适应PID算法和传统PID算法进行仿真，并且分析了单神经元自适应PID控制中的比例、积分、微分学习率对系统性能的影响。3、将单神经元自适应PID算法与传统的PID控制算法进行比较分析，得知单神经元自适应PID控制算法在总体上优于传统的PID控制算法，它有利于控制系统控制品质的提高，受环境的影响较小，具有较强的控制鲁棒性，是一种很有发展前景的控制器。关键词：PID控制，人工神经网络，单神经元PID，系统仿真单神经元PID控制算法及仿真研究IITheSimulationResearchofSingleNeuralAdaptivePIDControlAlgorithmABSTRACTInthispaper,thesingleneuronadaptivePIDalgorithmwasstudied.BasedonVB,theoneandtwoorderobjectwassimulatedwiththeneuralPIDalgorithm.TheeffectofthesingleneuronadaptivePIDcontrolparametersonthecontrolperformancewasanalyzed.AnditsperformancewascomparedwithPIDcontrollers.Themainresearchcontentsareasfollowings:1.Thebackgroundofthistopic,developmentofPIDcontrollerandintelligentcontroltheorywassummarized.2.ThetraditionalPIDcontrolprincipleandtheengineeringmethodofPIDparametertuningwasintroduced.SimulationresearchwasdoneusingMATLAB.3.ThesingleneuronadaptivePIDcontrolprincipleandsingleneuronadaptivePIDcontrolalgorithmwereresearched.ThesimulationprogramwaswrittenusingVBprogramminglanguage.ThesingleneuronPIDalgorithmwasusedtocontroltheoneorder,secondorderprocesswithtime-delay.ThecontrolperformanceofsingleneuronPIDwithtraditionalPIDwascompared.Theproportional,integral,differentiallearningrateonsystemperformancewasanalyzed.4.ThesingleneuronadaptivePIDcontrolalgorithmissuperiortothetraditionalPIDcontrolalgorithminoverallbycomparingandanalyzingbetweenthesingleneuronadaptivePIDalgorithmwiththetraditionalPIDcontrolalgorithm.Itishelpfulforcontrolsystemtoimprovethecontrolquality.Ithasstrongrobustness,andtheenvironmenthavelimitedinfluenceonthesystem.Itisaverypromisingcontroller.Keywords:PIDcontroller,ArtificialNeuralNetwork,SingleNeuralPID,SystemSimulation单神经元PID控制算法及仿真研究III目录摘要........................................................................IABSTRACT...................................................................II1绪论......................................................................11.1PID控制的发展概况...................................................11.2智能控制系统发展概况.................................................21.3本文研究内容.........................................................42PID控制原理及仿真研究.....................................................62.1PID控制原理.........................................................62.2PID控制器的参数工程整定.............................................82.2.1衰减曲线法.....................................................82.2.2临界比例带法..................................................102.2.3动态参数法....................................................112.3PID控制仿真........................................................142.3.1PID控制阶跃响应..............................................152.3.2PID控制抗的干扰性............................................162.3.3PID控制的鲁棒性..............................................173.单神经元PID算法及仿真....................................................193.1单神经元自适应PID控制原理..........................................193.1.1单神经元模型.................................................193.1.2神经网络的学习规则...........................................203.1.3单神经元PID算法.............................................223.1.4增益K自调整单神经元自适应PID算法...........................253.2仿真实验............................................................283.2.1单神经元自适应PID控制仿真及其与传统PID控制比较..............283.2.2单神经元PID控制器各参数的影响................................374总结....................................................................43参考文献：.................................................................44致谢.......................................................................46译文及原文.................................................................47单神经元PID控制算法及仿真研究I1绪论1.1PID控制的发展概况PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其结构简单、物理意义明确、鲁棒性好、稳定性高、运用经验成熟等而广泛地应用于各种工业过程控制之中，尤其应用在各种控制系统的最底层。PID控制的发展经历了三个阶段：第一阶段（二十世纪二十年代以前）机器工业的发展，对控制提出了要求。反馈的方法首先被提出，在研究气动和电动记录仪的基础上发现了比例和积分的作用。它们主要的调节对象是火炉的温度蒸汽机的阀门位置等，调节方式类似于继电器控制，精度比较低，控制器的形式是比例（P）或比例与积分（PI）。第二阶段（二十世纪二十年代至四十年代）1935年，泰勒仪器公司的RalphClavvidge发现了微分的作用，微分作用的发现具有重要的意义，它能直观地实现对慢系统的控制，对该系统的动态性能能够进行调节，与先期提出的比例和积分作用成为三个主要的调节部件，一直沿用至今。在1942年和1943年，泰勒仪器公司的Zigeler和Nichols等人，分别在开环和闭环的情况下，用实验的方法分别研究了比例、积分和微分这三部分在控制中的作用，首先提出了PID控制器的参数整定的问题。随后有许多公司和专家，象福克斯波罗公司、利诺公司、横河公司、Bristol、Tw.Kraus、J.T.Myron、A.carmon、K.j.Astrom、T.Hagglund、Nishkawa和Sannomiya等人，投入到这方面的研究之中，经过多年的研究，在参数整定方面取得了很多成果，诸如自校正PID、预估PID等控制器。这些PID控制器适用范围广，能处理一定的非线性和纯滞后问题。第三阶段（二十世纪五十年代以后至今）单神经元PID控制算法及仿真研究2计算机技术和智能控制理论的发展为复杂动态不确定系统的控制提供了新的途径，采用智能控制技术，可设计智能PID控制器和进行智能整定PID参数，如专家控制系统、模糊PID、神经网络PID、遗传算法PID等智能控制。研究新一代控制器的另一个方向,是现代PID控制器。相对于传统PID控制器而言,现代PID控制器是将自适应控制、最优控制、预测控制、鲁棒控制、智能控制等控制策略引入到PID控制中的一种新型PID控制器。特别是智能型PID控制器,近几年引起了极大的研究兴趣。智能控制的发展状况将在下节中详细介绍。人们把专家系统、模糊控制、神经网络等理论,整合到PID控制器中,这样,既保持了PID控制器的结构简单、适用性强和整定方便等优点,又通过智能技术在线调整PID控制器的参数,以适应被控对象特性的变化。[1]1.2智能控制系统发展概况随着信