BP神經網絡在PID調節器設計中的應用

【摘要】本文首先簡單介紹了傳統PID控制器的原理、結構及優缺點和BP神經網絡的原理與特點，然后介紹了基于BP神經網絡的數字式PID控制器的搭建的一種方法。

【關鍵詞】PID；數字式；BP神經網絡

1.PID控制器的原理及結構

PID控制器就是基于偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）的控制器，是工業過程控制中歷史最悠久而且生命力最強的控制方式。由于PID控制器的算法相對簡單，魯棒性強，因此PID控制應用很廣泛。根據國外相關機構的統計得知，實際應用中約有90%的控制回路采用PID控制器實現。隨著現代控制理論的發展，業界不斷涌現更新的控制方案，但至今PID仍是最重要的控制方式。下面簡要介紹PID控制的結構及優缺點。

（1）比例環節對控制系統性能的影響。

比例環節的增益系數Kp可以即時的反映控制系統的偏差信號e（t），一旦偏差產生，則比例環節可以立即產生調節作用。由于一般系統均為負反饋，因此系統偏差將逐漸減小。

Kp的大小決定了比例環節作用的強弱。當Kp較大時，比例環節作用強，系統的偏差減小快。當Kp小時，則比例環節的作用較小。但是當Kp過大時，系統將逐漸趨于不穩定，出現超調過大、系統震蕩甚至發散的現象。以機電系統為例，一般超調量應控制在10%～20%，否則機械系統將受到不可逆的損壞。

（2）積分環節對控制系統性能的影響。

積分環節的作用是用來消除系統的穩態誤差，提高系統的穩態無差度，從而實現系統對給定信號的無靜差跟蹤。

積分環節反映了對偏差的歷史值的積分，只要偏差存在且不為零，則積分值就會持續變化。當偏差為零后，積分值不再變化，此時積分調節的輸出為恒值，系統亦達到穩態。根據表達式易知，積分環節的作用強弱取決于時間常數Ti和Kp。此處可認為Kp為定值，則積分環節的作用強弱僅與Ti有關。Ti越小，則積分環節的作用越強；Ti越大，則積分環節的作用越弱。

（3）微分環節對控制系統性能的影響。

微分環節反映的是e（t）對時間的導數對系統的影響，反映了系統偏差的變化率，預見了系統的變化趨勢，因此可以產生超前的控制作用。由表達式易知，微分環節作用的強弱取決于微分環節時間常數Td，Td越大，則微分環節作用越強，反之則越弱。

在得到系統的實際輸出后，可以得出誤差E，有上述推導過程可知，誤差E與各層的權值和閾值有關。然后采用牛頓下山法、負梯度法等優化算法求出能夠使E達到極值的權值和閾值，從而系統輸出與期望輸出的在某種算式下的差值達到最小。這便是BP網絡的反向過程。

3.基于BP網絡的數字式PID控制器設計

同時，可以看到BP網絡的優化主要集中在反傳算法的優化上，因此在BP網絡的輸入信號的選取上、BP網絡的學習算法上的選擇不一定和本文所提的方法完全相同。在實際應用中應根據實際系統進行選擇。 [科]

【參考文獻】

［１］Martin T.Hagan.神經網絡設計.2002.9.

［２］張德豐.Matlab神經網絡應用設計.2012.3.

［３］劉暢.基于DSP的BP神經網絡PID控制器的設計.2011.