基于CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID參數(shù)自整定方法的研究

基于CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID參數(shù)自整定方法的研究

0?引言

　　控制器的參數(shù)整定是通過(guò)對(duì)PID控制器參數(shù)（KP,KI,KD）的調(diào)整，使得系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到滿(mǎn)意的質(zhì)量指標(biāo)要求。PID參數(shù)的整定一般需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程技術(shù)人員來(lái)完成，既耗時(shí)又耗力，加之實(shí)際系統(tǒng)千差萬(wàn)別，又有滯后非線(xiàn)性等因素，使PID參數(shù)的整定有一定的難度，致使許多PID控制器沒(méi)能整定的很好;這樣的系統(tǒng)自然無(wú)法工作在令人滿(mǎn)意的狀態(tài)，為此人們提出了自整定PID控制器。將過(guò)程動(dòng)態(tài)性能的確定和PID控制器參數(shù)的計(jì)算方法結(jié)合起來(lái)就可實(shí)現(xiàn)PID控制器的自整定[1,2]。

　　筆者設(shè)計(jì)出一種基于CMAC小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID參數(shù)自整定的控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的快速整定，并且使得PID的參數(shù)整定達(dá)到一定的精度。

1?CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

　　CMAC（Cerebellar?model?articulation?controller）是J.?S.?Albus在1975年提出的一種模擬小腦功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。CMAC是一種聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)，對(duì)每一輸出只有小部分神經(jīng)元（由輸入決定）與之相關(guān)，它的聯(lián)想具有局部泛化能力，即相似的輸入將產(chǎn)生相似的輸出，而遠(yuǎn)離的輸入產(chǎn)生幾乎獨(dú)立的輸出。CMAC與感知器比較相似，雖然從每個(gè)神經(jīng)元看其關(guān)系是一種線(xiàn)性關(guān)系，但從結(jié)果總體看，它適合一種非線(xiàn)性的映射，因而可以把CMAC看作一個(gè)用于表達(dá)非線(xiàn)性映射（函數(shù)）的表格系統(tǒng)[3]。由于它的自適應(yīng)調(diào)節(jié)（學(xué)習(xí)）是在線(xiàn)性映射部分，所以其學(xué)習(xí)算法是簡(jiǎn)單的?算法，收斂速度比BP快得多，且不存在局部極小問(wèn)題[4]。CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2?系統(tǒng)原理

　　系統(tǒng)的工作原理為：當(dāng)閉環(huán)控制系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)誤差?的時(shí)間特性進(jìn)行模式識(shí)別，首先得出系統(tǒng)誤差曲線(xiàn)的峰值及時(shí)間，如圖2所示。

圖2?給定值階躍變化時(shí)的誤差e（t）曲線(xiàn)

　　再根據(jù)以下公式得出該過(guò)程響應(yīng)曲線(xiàn)的多個(gè)特征參數(shù)ei（i=1,2,3）分別為：超調(diào)量σ，阻尼比ζ和衰減振蕩周期T。

　　將識(shí)別出的三個(gè)特征參數(shù)作為輸入送入CMAC參數(shù)整定網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)計(jì)算后得出相應(yīng)的PID參數(shù)的變化量（?），再將所得參數(shù)送入PID控制器，從而實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自整定。PID參數(shù)自整定系統(tǒng)如圖3所示。

圖3?PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)

　　在本CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，獲取系統(tǒng)誤差特性曲線(xiàn)中的三個(gè)特征參數(shù)，每個(gè)特征參數(shù)根據(jù)表的劃分，成為一個(gè)特征參數(shù)等級(jí)。當(dāng)每個(gè)區(qū)域的特征參數(shù)大小都確定時(shí)，就組成了一個(gè)特征參數(shù)模式。當(dāng)獲取的特征值發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的模式也發(fā)生變化。因而本文建立的CMAC網(wǎng)絡(luò)的輸入是一個(gè)3個(gè)分量組成的向量，即選取的三個(gè)特征值（阻尼比?，超調(diào)量百分比?，衰減振蕩周期?）也可稱(chēng)為特征參數(shù)模式。由于PID控制器需整定的參數(shù)為3個(gè)，所以，CMAC網(wǎng)絡(luò)的輸出為3個(gè)分量組成的向量。每一個(gè)元素與PID控制器中的一個(gè)待整定參數(shù)相對(duì)應(yīng)。

3?CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)[5]

　　1）基函數(shù)的布置和總數(shù)

　　2）高階基函數(shù)

　　當(dāng)初始CMAC網(wǎng)絡(luò)使用二值基函數(shù)時(shí)，它的輸出是分段連續(xù)的，即在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)是連續(xù)的，在輸入軸節(jié)點(diǎn)處是間斷的。要使網(wǎng)絡(luò)有連續(xù)的輸出，必須要求基函數(shù)的輸出在其定義域的邊界上為0。本設(shè)計(jì)中，用表示距離，表示單變量函數(shù)，采用無(wú)窮大泛數(shù)基函數(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出。

　　并利用無(wú)窮大泛數(shù)計(jì)算距離時(shí)，可以使基函數(shù)在定義域邊界的輸出為0，在定義域中心的輸出為1/ρ。在一維情況下，其他輸出值是在這兩個(gè)極值間的線(xiàn)性插值。在二維輸入空間中，基函數(shù)輸出呈“金字塔”型。

　　3）內(nèi)存雜散技術(shù)

　　CMAC網(wǎng)絡(luò)對(duì)內(nèi)存的需求量正比于?的指數(shù)倍，所以它是很大的。對(duì)高維輸入?，基函數(shù)的數(shù)量?可以由公式（5）近似地計(jì)算出來(lái)。由于要求基函數(shù)的數(shù)量要小于網(wǎng)格的數(shù)量（p<

　　4?）?CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的編程實(shí)現(xiàn)

　　CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法主要函數(shù)是由C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)中的代碼是在Visual?C++平臺(tái)上調(diào)試實(shí)現(xiàn)的。int?allocate_cmac（int?num_state,?int?＊qnt_state,?int?num_cell,?int?memory,?int?field_shape,?int?collision_flag）;?allocate函數(shù)用指定的參數(shù)為CMAC網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)存中分配空間。num_state是輸入向量的維數(shù);?＊qnt_state是指向?維數(shù)組的指針，這個(gè)數(shù)組定義了每一維輸入向量的量化精度;num_cell是泛化系數(shù)ρ;?memory占用內(nèi)存空間的數(shù)量;?field_shape設(shè)置基函數(shù)的類(lèi)型;collision_flag訓(xùn)練沖突標(biāo)記，若沖突發(fā)生返回TRUE，反之為FALSE。

　　MATLAB中的編譯與調(diào)用時(shí)，采用MEX技術(shù)來(lái)完成MATLAB中調(diào)用CMAC網(wǎng)絡(luò)算法的C語(yǔ)言代碼

4?CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

　　CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要參數(shù)有：輸入變量的量化精度、泛化參數(shù)以及基函數(shù)的種類(lèi)。對(duì)CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)輸入分別進(jìn)行量化，阻尼比ζ分為23級(jí)，超調(diào)量百分比σ分為12個(gè)等級(jí)，衰減振蕩周期Tc分為20個(gè)等級(jí),共有23＊12＊20=5520種訓(xùn)練模式。

　　在所有5520種訓(xùn)練模式中選取2000種，作為CMAC參數(shù)整定網(wǎng)絡(luò)的選練樣本。再在2000組特征參數(shù)模式中選取1620組特征參數(shù)模式作為訓(xùn)練集對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。

　　建立輸入到物理存儲(chǔ)空間的映射，同時(shí)建立了物理存儲(chǔ)空間與輸出的關(guān)系。泛化參數(shù)?選為32，學(xué)習(xí)算法采用了誤差糾正算法。學(xué)習(xí)率β為0.6，采用樣條函數(shù)SPLINE替代傳統(tǒng)的ALBUS函數(shù)作為CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基函數(shù)。ALBUS函數(shù)的輸出只有0和1，因此輸出的曲線(xiàn)分段連續(xù)，僅在內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間連續(xù)，在內(nèi)節(jié)點(diǎn)的分界處往往是不連續(xù)的。而樣條函數(shù)則可以較好的解決這個(gè)問(wèn)題。相應(yīng)的內(nèi)存使用量為300。

　　訓(xùn)練收斂后，權(quán)值體現(xiàn)了特征參數(shù)與PID控制器的待整定參數(shù)的關(guān)系。圖4所示為CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)1620組特征參數(shù)模式的訓(xùn)練誤差曲線(xiàn)。

　　圖5所示為1620組訓(xùn)練數(shù)據(jù)送入CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，訓(xùn)練數(shù)據(jù)在各個(gè)誤差區(qū)間中的個(gè)數(shù)，可看出超過(guò)90%的訓(xùn)練數(shù)據(jù)具有較高的誤差精度，即誤差精度<0.1。

　　把選取的2000種特征參數(shù)模塊中剩下的380組作為測(cè)試集，對(duì)訓(xùn)練后的CMAC參數(shù)整定網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試。輸出的控制參數(shù)變化值與學(xué)習(xí)樣本期望結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，錯(cuò)誤率為7.8%，說(shuō)明CMAC網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練比較成功，具有一定的泛化能力。圖6所示為CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試誤差曲線(xiàn)。圖7所示為測(cè)試數(shù)據(jù)在各誤差區(qū)間中的個(gè)數(shù)。

5?仿真結(jié)果

　　選取被控對(duì)象為：?，原控制器對(duì)此對(duì)象的控制性能達(dá)到要求，階躍擾動(dòng)曲線(xiàn)如圖8中線(xiàn)1所示。當(dāng)進(jìn)行PID參數(shù)自整定，整定后的響應(yīng)曲線(xiàn)為圖8中線(xiàn)2，把特征參量送入CMAC參數(shù)整定網(wǎng)絡(luò)，整定后參數(shù)為。從仿真圖中，我們可以看出PID參數(shù)的整定效果比較理想，且CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的達(dá)到穩(wěn)定的訓(xùn)練時(shí)間也比較短。

6?結(jié)論

　　仿真結(jié)果表明，CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特性使其適合在PID參數(shù)自整定中使用。CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的調(diào)整是局部的，學(xué)習(xí)速度快，收斂性好，而且PID參數(shù)的整定效果也滿(mǎn)足整定要求。文章的創(chuàng)新點(diǎn)：在基于模式識(shí)別的PID參數(shù)自整定系統(tǒng)中，直接利用CMAC網(wǎng)絡(luò)獲取整定規(guī)則，避免了傳統(tǒng)的大量專(zhuān)家整定經(jīng)驗(yàn)的建立。