采用的HMP45D型濕度傳感器結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫度補(bǔ)償研究

1 引言

近年來(lái)，芬蘭Vaisala 公司生產(chǎn)的HMP45D 溫濕一體化傳感器已廣泛應(yīng)用于地面自動(dòng)氣象站觀測(cè)系統(tǒng)中。

HMP45D 溫濕度傳感器采用濕敏電容測(cè)量濕度，從介電常數(shù)變化型電容傳感器工作原理可知，不僅相對(duì)濕度的變化會(huì)引起電容介質(zhì)介電常數(shù)的變化，溫度的變化也會(huì)引起電容介質(zhì)介電常數(shù)的變化。

盡管廠家根據(jù)不同溫度下的傳感器輸出與實(shí)際相對(duì)濕度關(guān)系給出了溫度補(bǔ)償，可將部分誤差補(bǔ)償，但在實(shí)際應(yīng)用中，在高溫高濕下補(bǔ)償效果很不理想，因此研究和采用新方法提高測(cè)量準(zhǔn)確度，進(jìn)一步減小誤差，是濕度傳感器研發(fā)和氣象觀測(cè)人員最關(guān)心的問(wèn)題。

為進(jìn)一步消除溫度的影響，可采用硬件電路補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償對(duì)濕度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理。硬件補(bǔ)償方法由于受到電路中電子器件漂移等因素的影響，導(dǎo)致整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)可靠性差且精度低。軟件補(bǔ)償方法有插值法、最小二乘多項(xiàng)式曲線擬合法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等，然而插值法需要把量程進(jìn)行分段線性化處理，每一段用直線近似代替曲線，分的區(qū)間越多，精度越高，但所需存儲(chǔ)量也就越大，所以實(shí)際效果并不理想，最小二乘多項(xiàng)式曲線擬合在應(yīng)用過(guò)程中，當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)較多時(shí)，容易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致形成病態(tài)或奇異的方程組，無(wú)法獲得多項(xiàng)式系數(shù)，因而其應(yīng)用受到限制，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于是非線性優(yōu)化，權(quán)值的初始化是隨機(jī)的，所以會(huì)存在局部極小問(wèn)題，而且新加入的樣本會(huì)影響到已經(jīng)學(xué)好的樣本，學(xué)習(xí)算法的收斂速度慢。

本文在分析現(xiàn)有研究方法不足的基礎(chǔ)上，研究了采用改進(jìn)遺傳算法來(lái)優(yōu)化BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，重點(diǎn)討論了遺傳算法中的混合編碼方案，適應(yīng)度函數(shù)的選擇以及部分參數(shù)的優(yōu)化，達(dá)到改進(jìn)遺傳算法的目的，并以此來(lái)優(yōu)化BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了濕度傳感器溫度補(bǔ)償模型，利用此模型對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，補(bǔ)償由于溫度的變化對(duì)濕度傳感器的測(cè)量結(jié)果造成的影響，并通過(guò)與一般的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行比較，說(shuō)明該方法在溫度補(bǔ)償上的突出優(yōu)點(diǎn)。

2 溫度補(bǔ)償原理

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)傳感器輸出進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)脑韴D由傳感器模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償模型2 部分組成，如圖1 所示。

圖1 中，h 表示經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償后的輸出濕度值，其濕度傳感器的數(shù)學(xué)模型為：

式中： x 為待測(cè)目標(biāo)濕度參量，t 為環(huán)境影響因素溫度參量，y 為傳感器輸出量。

若y 和t 均為x 的單值函數(shù)，則式（ 1） 的反函數(shù)存在，即：

將濕度傳感器的目標(biāo)參量及濕度敏感元件的環(huán)境參量溫度作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理后的輸出濕度h 即為期望的消除了溫度干擾后的目標(biāo)參量x.

本文通過(guò)對(duì)給定的樣本數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)改進(jìn)的遺傳算法優(yōu)化調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，使得經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值h 盡量逼近期望目標(biāo)濕度參數(shù)x,實(shí)現(xiàn)濕度傳感器的溫度補(bǔ)償，進(jìn)而提高濕度傳感器的測(cè)量精度和可靠性。

3 改進(jìn)遺傳算法的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

鑒于遺傳算法是一種概率性的自適應(yīng)迭代尋優(yōu)過(guò)程，具有良好的全局搜索性能，不易陷入局部極小，即使所定義的適應(yīng)值函數(shù)是不連續(xù)的、非規(guī)則的，它也能以很大的概率找到整體最優(yōu)解，且適用于并行處理，搜索不依賴于梯度信息的特點(diǎn)，可以用來(lái)優(yōu)化BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

采用遺傳算法對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值閾值進(jìn)行優(yōu)化，在較大范圍進(jìn)行搜索，代替一般初始權(quán)值的隨機(jī)選取，然后應(yīng)用BP 算法在這個(gè)解空間里對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精調(diào)，搜索出最優(yōu)解或者近似最優(yōu)解。這樣既實(shí)現(xiàn)了兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，又發(fā)揮了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的廣泛非線性映射能力和遺傳算法的全局搜索能力，加快了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度，提高了整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中的逼近能力和泛化能力。

檢測(cè)樣本平均均方誤差，表示對(duì)網(wǎng)絡(luò)輸出數(shù)據(jù)可靠性的估計(jì)。為了使所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)具有良好的泛化能力，應(yīng)當(dāng)使得E2小于一個(gè)給定誤差ε，滿足網(wǎng)絡(luò)輸出的可靠性。

權(quán)值修正量表示為：

式中： η 為自適應(yīng)學(xué)習(xí)率，g（ n） 為當(dāng)前誤差函數(shù)對(duì)權(quán)值的梯度，α 為動(dòng)量因子，n 為迭代的次數(shù)。

改進(jìn)遺傳算法的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的具體步驟如下：

1） 建立一個(gè)初始BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)和函數(shù)，通過(guò)編碼方式產(chǎn)生初始種群，經(jīng)過(guò)優(yōu)化種群、選擇、交叉，變異等遺傳操作獲得最優(yōu)權(quán)值閾值。

2） 用得到的最優(yōu)權(quán)值閾值優(yōu)化BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練得到滿足要求的最佳BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

基于改進(jìn)遺傳算法的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)流程圖如圖2 所示。