基于神经网络的温度控制系统

本科毕业设计（论文）基于神经网络的温度控制系统学院自动化专业自动化年级班别学号学生姓名指导老师2013年6月摘要在工业控制过程中．PID控制是一种最基本的控制方式，其鲁棒性好、结构简单、易于实现，但随着生产工艺的日益复杂和人们对工业过程总体性能要求的不断提高，传统的PID控制方法往往难以满足闭环优化控制的要求。因为常规PID控制器的参数是根据被控对象数学模型确定的．当被控对象的数学模型是变化的、非线性的时候，PID参数不易根据其实际的情况做出调整，影响了控制质量，使控制系统的控制品质下降。特别是在具有纯滞后特性的工业过程中，常规的PID控制更难满足控制精度的要求。而神经网络作为现代信息处理技术的一种，正在很多应用中显示了它的优越性，同传统的PID控制相比较，神经网络PID控制有许多优点。神经网络PID控制技术在其中扮演了十分重要的角色，并且仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。本文阐述了神经网络PID控制算法的基本原理。对基于单神经元的PID控制器的控制性能进行了分析，并且利用MATLAB／Simulink工具进行了仿真研究。温度控制系统具有大滞后、强耦合、慢时变及非线性等特征的复杂系统。在温度控制系统中，被控制对象存在着参数的不确定性和纯滞后等特性，难于建立其精确的数学模型，本文通过对受控对象温度控制系统的数字仿真研究，比较了传统PID控制与神经网络PID控制各自不同的控制特性，分析了传统PID控制器和神经网络PID控制器的优缺点。并针对神经网络PID控制器的不足之处提出了相应的改进方案。关键词：神经网络PID控制,数字仿真,Hebb算法,BP算法注：本设计（论文）题目来源于教师的国家级（或部级、省级、厅级、市级、校级、企业）科研项目，项目编号为：。AbstractIntheprocessofindustrialcontrol.PIDcontrolisoneofthemostbasicwayofcontrol,itsgoodrobustness,simplestructure,easytoimplement,butalongwiththeincreasingcomplexityofproductionprocessandconstantlyimprovetheoverallperformancerequirementsofindustrialprocess,thetraditionalPIDcontrolmethodisoftendifficulttomeettherequirementsoftheclosed-loopoptimalcontrol.ForconventionalPIDcontrollerparametersaredeterminedbasedonthemathematicalmodeloftheobject.Whenthemathematicalmodelofcontrolledobjectisvariable,nonlinear,noteasilyaccordingtotheactualsituationtoadjustthePIDparameters,theinfluenceofqualitycontrol,thecontrolqualityofcontrolsystem.Especiallyintheindustrialprocesswithpurelagproperties,conventionalPIDcontrolismoredifficulttomeettherequirementsofcontrolaccuracy.Andneuralnetworkasakindofmoderninformationprocessingtechnology,isalotofapplicationsshowsitssuperiority,comparedwiththetraditionalPIDcontrol,theneuralnetworkPIDcontrolhasmanyadvantages.NeuralnetworkPIDcontroltechnologyplayedaveryimportantrole,andwillcontinuetobeoneoftheresearchandapplicationofkeytechnologiesinthefuture.ThispaperexpoundsthebasicprinciplesofneuralnetworkPIDcontrolalgorithm.BasedonsingleneuronPIDcontrollerthecontrolperformanceisanalyzed,andtheuseofMATLAB/Simulinktoolhascarriedonthesimulationresearch.Temperaturecontrolsystemwithlargelagging,strongcoupling,time-varyingandnonlinearcharacteristicsofcomplexsystems.Intemperaturecontrolsystem,thecontrolledobjectparameteruncertaintiesexistandpurelagandsooncharacteristics,isdifficulttoestablishaccuratemathematicalmodel,thispaperresearchonthedigitalsimulationofthetemperaturecontrolsystemofcontrolledobject,comparesthetraditionalPIDcontrolandneuralnetworkPIDcontroltheirdifferentcontrolfeatures,analyzestheadvantagesanddisadvantagesoftraditionalPIDcontrollerandneuralnetworkPIDcontroller.AndinviewofthedeficiencyofneuralnetworkPIDcontrollerisputforwardthecorrespondingimprovementplan.Keywords：NeuralPIDControl，Digitalsimulation，HebbArithmetic，BPArithmetic目录1绪论..................................................................................................................................11．1神经网络PID控制研究背景与动机........................................................................11．2智能控制的发展概况................................................................................................21．3神经网络简介............................................................................................................51．3．1神经网络发展概述......................................................................................51．3．2神经网络原理..............................................................................................71．3．3神经网络的分类........................................................................................121．3．4神经网络的学习算法................................................................................131．3．5神经网络用于控制领域............................................................................141．3．6神经网络PID控制研究的意义和现状....................................................151．4本文的主要内容.....................................................................................................172神经网络PID控制器的实现............................................................................................182．1基于神经网络的PID控制理论.............................................................................182．2基于单神经元的PID控制...................................................................................192．2．1基于单神经元的PID控制器.....................................................................192．2．2单神经元PID控制器的稳定性分析.........................................................233基于Simulink的仿真研究...............................................................................................243．1温度控制箱的数学建模..........................................................................................243．2传统PID控制器的设计与仿真...........................................................................263．2．1PID控制算法..........................................................................................263．2．2数字PID控制器......................................................................................283．2．3常规PID控制器的局限性.........................................................................293．2．4温控箱基本PID控制器的数字设计与仿真...............................