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基于遗传算法改进的BP神经网络加热炉控制系统参数优化(2)

 研究表明,采用上述BP算法逐步调整权值和阈值,可能导致学习过程收殓速度慢,训练时间过长,又易陷入局部极小点而得不到最佳的权值和阈值分布。为了加快学习速率,已经有了一些优化BP算法[3],采用动态学习因子和惯性因子。这些方法在加快网络收殓速度方面比较显著,能较好地避免网络陷入局部极小。遗传算法不要求目标函数具有连续性,而且可以对复杂的多峰的,非线性及不可微的函数实现全局寻优,因此容易得到全局最优解或性能很好的次优解。将遗传算法和BP算法相结合可以具有寻优的全局性和精确性。算法过程为:
    (1)对权值和阈值编码生成初始种群,由于是多参数优化问题,采用多参数映射编码;
    (2)计算适应度值;
    (3)如果不满足遗传算法停止条件,则对当代种群进行交叉、选择和变异产生新的个体,转(2);否则,转(4);
    (4)对遗传算法找到的较好的解空间,采用BP算法在这些小的解空间中搜索出最优解。
3.2  PID参数优化
    由图5可知,神经网络根据系统的运行状态,通过在线调整PID的三个参数 Kp, Ki,Kd ,以达到某种性能指标的最优化。
图5  BP网络整定PID参数原理图
经典增量式PID的控制算法:
算法步骤:
    (1)确定网络结构,采用3—4—3的结构,输入分别为 e(k),e(k)-e(k-1),e(k)-2e(k-1)+e(k-2)  。输出为 Kp, Ki,Kd  。
    (2)选择初始种群N=60,交叉概率 Pc=0.08,权值,阈值的范围和初始化。选取目标函数为(偏差绝对值积分):,适应度函数为:
    (3)采样得到rin(k) 和yout(k) ,计算该时刻的误差。
    (4)对网络进行学习,在线调整权值,阈值,计算神经网络的各层输入,输出,得到三个可调参数  Kp, Ki,Kd  。计算系统输出。
    (5)计算适应度若不满足要求,转入第(3)步。
    (6)找到最优的  Kp, Ki,Kd ,对系统仿真。
图6  BP网络整定的控制曲线
    仿真结果显示,用BP神经网络整定的PID控制系统比经典的Z—N(临界比例度)法有更快的响应特性,良好的动态特性和比较强的鲁棒性。
4  结束语
    由于神经网络具有自组织、自学习等优点,本文提出的优化的BP神经网络相结合的方法对控制器参数进行寻优,可根据对象的变化情况对控制器参数的在线调整,满足控制对象的动态特性随着环境变化而变化的要求。达到好的控制效果。遗传算法与BP网络的结合弥补了BP网络学习过程收敛速度慢,可能陷入局部级小的不足。
参考文献
[1] 王树青等编著. 工业过程控制工程[M]. 北京:化学工业出版社,2002
[2] 李士勇著. 模糊控制、神经控制和智能控制论[M]. 哈尔滨:哈尔并工业大学出版社,1996
[3] 胡志军,王建国,王鸿斌. 基于优化BP神经网络的PID控制研究与仿真[J]. 微电子学与计算机2006,23(12):138—140
[4] 张文修著. 遗传算法的数学基础[M]. 西安:西安交通大学出版社,2003
[5] 韩力群著. 人工神经网络理论、设计及应用[M]. 北京:化学工业出版社,2002
[6] 赵文峰著. Matlab控制系统设计与仿真[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2003

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