基于PLC的单神经元PID控制器的设计与实现
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Ｒ Ｎ Ｊ ｎｉ Ｅ ｕ －ｅ ｉ
（ 北京联合大学 自动化学 院 ，北京 １ Ｏ Ｏ ） Ｏ ｌ １ 摘 要 ： 本文对于大滞后 、时变 和非线性的复杂系统 ，常规ＰＩ控制显得无 能为 力。将神 经网络与常规 Ｄ ＰＤ 控制相结合 ，构成单神 经元自适应ＰＤ 制器 。给 出了基于Ｐ Ｃ的单神经元ＰＤ Ｉ Ｉ控 Ｌ Ｉ控制系统结
构 ，重点介绍了单神经 元ＰＤ Ｉ 控制算法原理 ，并用结构控制语言编写 了单神经元Ｐ 控制算法功 Ｉ Ｄ 能块 ，该控制功 能块具有通用性且易于移植 。经 实例证 明 ，与传统ＰＤ Ｉ控制器相比较 ，单神经 元ＰＤ Ｉ控制器可以显著改善 系统的性能。
关键词 ： 单神经元 ；ＰＤ；Ｐ Ｃ；结 构控 制语言 Ｉ Ｌ
的 并 行 结构 和 学 习 记忆 功 能 ，并 且 结 构 简 单 ， 易 于 实现 。 以 Ｐ Ｃ作 为 控 制 器构 成 的 单 神 经 元 Ｐ Ｄ控 制 Ｌ Ｉ
样 时刻控 制器 的输 出值 。
根据 （）式可得 到增 量式 ＰＤ 控制 算法 为 ： ２ Ｉ
Ａ （） ｕｋ ：Ｋ。 （） ｅｋ一）＋Ｋ ｅ ） ［ 一 （ １］ （ ＋ Ｐ
‘
，
（） ３
Ｋ ｌｋ一 ｅ —） ｅ 一 ） ｄ （ ２（ １＋ （ ２Ｊ ｅ） ｋ ｋ
系统 如 图 １ 所示 。图 １中虚线 部分 为单 神经 元 Ｐ Ｄ Ｉ
控 制 器 。检 测 元 件 将 被 控 量 实 际值 Ｙ测 量 转 换 为 １５ 电 压 信 号 或 ４２ ｍＡ 电 流 信 号 ，该 模 拟 信 号 －Ｖ —０
北京联 合大学校级科研项 目 （ｋ ０ ９ ０ ） ｚ ２ ０ ２ ｘ 作者简介：任俊杰 （９ ２ １７ －），女 ，河北石家庄人，讲师 ，硕士 ，主要从事 自动控制和控制工程的教学与研究工作。
第 ３卷 ４ 第７ 期 ２ １ － （ ） ［ １ ０２ ７下 １１
ｌ
将 偏 差 的 比例 、积 分 和微 分 的三 个 分 量 作 为 单 神 经 元 的输 入 量 ，就 构 成 量 单 神 经 元 ＰＤ 控 制 Ｉ 器 ，其 结构 如 图 ｌ 线部 分所 示 。 虚 图 １中，根 据 给 定 输 入 信 号 ，Ｄ 和 实 际 输 出 一 （ 信 号 ｙ足 ，经 状 态 转 换 器 转 换 为 神 经 元 的 输 入 量 （） Ｘ（） ） ，Ｘ（ ，Ｘ（ 尼 足 ，即对 应 积分 、 比例 和微 分 的三
应 速 度快 、抗干扰 能 力强 和超调 量小 等特 点 。
设 采 样 周期 为 丁 ，将 式 （ ）离散 化 ，得 离 散 １
化 标准位 置 式 ＰＤ 算 式 ： Ｉ
“） （＋ （＝ ｊ ∑Ｐ） ［ ）ｅ 一】 （ ｋ Ｐ） ｝ （＋ ｅ －ｋ １ ２ （ （ ） ｋ ）
中 图分类号 ：Ｔ ２ ３ Ｐ ７ 文献标 识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ０ — １４ ２ １ ） ７下 ） ｏ ｉ —０ ９ ０ （ ０ ０ （ － ｏ １ ３ ０ ３ ２
Ｄｏ： ．９ ９ Ｊｉｓ ．０ ９ １ ４ ２ １ ．（ ） ０ ｉ１ ３ ６ ／ ． ｎ １ ０ —０３ ．０ ７下 ．４ ０ ｓ ２
式 中 ： 、Ｋ、 分 别 为 比例 、积分 和微 分 系 数 ，ｅｋ 为 第 ｋ次所 得 偏差 信 号 ，ｕｋ 为第 ｋ次采 （） （）
１ 基 于Ｐ Ｃ的单神经 元Ｐ Ｄ Ｌ Ｉ 控制 系统 结构
控 制 系统 采 用 单 神 经 元 组 成 的 ＰＤ 控 制 器 ， Ｉ 它具 有传 统 ＰＤ 控 制 器 的 优 点 ，也 具 有 神 经 网络 Ｉ
实现 对被 控对 象 的控制 。
好 的控制 效 果。但 当被控 对象数 学模 型复 杂 ，尤其 对 于大 滞后 、时变 和 非线性 的 复杂 系统 ，常规 ＰＤ Ｉ
控 制 显 得 无 能 为 力 ，其 应 用 受 到 很 大 的 限 制 和 挑
２ 单神经元Ｐ 控制器算法原理 Ｉ Ｄ
传统 连续 型 Ｐ Ｄ控 制器 的控 制规律 为 ： Ｉ
微 分 时 间常数 。
性 系统 和不确 定性 系统 ，是一种 解决 问题 的有 效途 径 Ⅲ。本文将 神经 网络与 常规 ＰＤ控 制相 结合 ，发 Ｉ 挥 各 自的优势 ，形成 神经元 自适应 ＰＤ控 制器 ，并 Ｉ 在 Ｐ Ｃ 中设 计 实现 。 与传 统 ＰＤ 相 比较 ，具 有 响 Ｌ Ｉ
，
战 ，因此 ，需要 在传统 的 Ｐ Ｄ控制上 加入 先进 的智 Ｉ
能 控制 算法 ， 得控 制效 果更 为理 想 。神经 网络 具 使 有 逼近任 意连 续有界 非线性 函数 的能 力 ，对于 非线
一
＋
寺 ＋ ｌ１ （ ）
式 中： 一 比例 系 数 ； 矸一 积 分 时 间 常 数 ；
、 ｌ
訇 化
基于Ｐ Ｃ Ｌ 的单神经元ＰＤ控制器的设计 与实现 Ｉ
Ｄｅｓ ｇｎ ａｎ ｉ ｐｌ ｉ ｄ ｍ ｅｍ ｅｎｔ ｉ ｎ ｅ ｅｕｒ ｎ ＰＩ ｃｏｎ ｒ ｌ ａｔｏｎ ｏｆｓｉ ｇｌ ｎ ｏ Ｄ ｔ ｏｌｅｒｂａｓ Ｃ ｅｄ ｏｎ ＰＬ
任俊杰
接 至 Ｐ Ｃ的 Ａ 模块 ，进 行 Ａ Ｄ 转换 。将 测量 值 Ｙ Ｌ Ｉ ／ 与给 定值 ，比较 ，通过 二者 的偏 差 （ ． 进 行单 神经
图 １ 单 神 经 ２ １－１－１ ０１ ２ ９ 基金项 目：北京市属高等学校人才强教计划资助项 目 （ＨＲ ０ １８０ ）；北京市教委科技计划项 目 （ Ｐ ２ １０ ４ ３ ＫＭ２ １ １４７ １）Ｉ ００ １１０ １
０ 引言
ＰＤ控 制 由于其 算法 简单 、容 易实现 和 鲁棒 性 Ｉ
好 等特 点 ，被 广泛 应用于 工业过 程控 制并取 得 了 良
元 Ｐ Ｄ算 法 的运算 得到输 出操 作 信号 （ Ｉ ，经 Ｐ Ｃ Ｌ 的 ＡＯ模 块 进 行 Ｄ Ａ 转 换 ，用 于 驱 动 执 行 机 构 ， ／
（ 北京联合大学 自动化学 院 ，北京 １ Ｏ Ｏ ） Ｏ ｌ １ 摘 要 ： 本文对于大滞后 、时变 和非线性的复杂系统 ，常规ＰＩ控制显得无 能为 力。将神 经网络与常规 Ｄ ＰＤ 控制相结合 ，构成单神 经元自适应ＰＤ 制器 。给 出了基于Ｐ Ｃ的单神经元ＰＤ Ｉ Ｉ控 Ｌ Ｉ控制系统结
构 ，重点介绍了单神经 元ＰＤ Ｉ 控制算法原理 ，并用结构控制语言编写 了单神经元Ｐ 控制算法功 Ｉ Ｄ 能块 ，该控制功 能块具有通用性且易于移植 。经 实例证 明 ，与传统ＰＤ Ｉ控制器相比较 ，单神经 元ＰＤ Ｉ控制器可以显著改善 系统的性能。
关键词 ： 单神经元 ；ＰＤ；Ｐ Ｃ；结 构控 制语言 Ｉ Ｌ
的 并 行 结构 和 学 习 记忆 功 能 ，并 且 结 构 简 单 ， 易 于 实现 。 以 Ｐ Ｃ作 为 控 制 器构 成 的 单 神 经 元 Ｐ Ｄ控 制 Ｌ Ｉ
样 时刻控 制器 的输 出值 。
根据 （）式可得 到增 量式 ＰＤ 控制 算法 为 ： ２ Ｉ
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系统 如 图 １ 所示 。图 １中虚线 部分 为单 神经 元 Ｐ Ｄ Ｉ
控 制 器 。检 测 元 件 将 被 控 量 实 际值 Ｙ测 量 转 换 为 １５ 电 压 信 号 或 ４２ ｍＡ 电 流 信 号 ，该 模 拟 信 号 －Ｖ —０
北京联 合大学校级科研项 目 （ｋ ０ ９ ０ ） ｚ ２ ０ ２ ｘ 作者简介：任俊杰 （９ ２ １７ －），女 ，河北石家庄人，讲师 ，硕士 ，主要从事 自动控制和控制工程的教学与研究工作。
第 ３卷 ４ 第７ 期 ２ １ － （ ） ［ １ ０２ ７下 １１
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将 偏 差 的 比例 、积 分 和微 分 的三 个 分 量 作 为 单 神 经 元 的输 入 量 ，就 构 成 量 单 神 经 元 ＰＤ 控 制 Ｉ 器 ，其 结构 如 图 ｌ 线部 分所 示 。 虚 图 １中，根 据 给 定 输 入 信 号 ，Ｄ 和 实 际 输 出 一 （ 信 号 ｙ足 ，经 状 态 转 换 器 转 换 为 神 经 元 的 输 入 量 （） Ｘ（） ） ，Ｘ（ ，Ｘ（ 尼 足 ，即对 应 积分 、 比例 和微 分 的三
应 速 度快 、抗干扰 能 力强 和超调 量小 等特 点 。
设 采 样 周期 为 丁 ，将 式 （ ）离散 化 ，得 离 散 １
化 标准位 置 式 ＰＤ 算 式 ： Ｉ
“） （＋ （＝ ｊ ∑Ｐ） ［ ）ｅ 一】 （ ｋ Ｐ） ｝ （＋ ｅ －ｋ １ ２ （ （ ） ｋ ）
中 图分类号 ：Ｔ ２ ３ Ｐ ７ 文献标 识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ０ — １４ ２ １ ） ７下 ） ｏ ｉ —０ ９ ０ （ ０ ０ （ － ｏ １ ３ ０ ３ ２
Ｄｏ： ．９ ９ Ｊｉｓ ．０ ９ １ ４ ２ １ ．（ ） ０ ｉ１ ３ ６ ／ ． ｎ １ ０ —０３ ．０ ７下 ．４ ０ ｓ ２
式 中 ： 、Ｋ、 分 别 为 比例 、积分 和微 分 系 数 ，ｅｋ 为 第 ｋ次所 得 偏差 信 号 ，ｕｋ 为第 ｋ次采 （） （）
１ 基 于Ｐ Ｃ的单神经 元Ｐ Ｄ Ｌ Ｉ 控制 系统 结构
控 制 系统 采 用 单 神 经 元 组 成 的 ＰＤ 控 制 器 ， Ｉ 它具 有传 统 ＰＤ 控 制 器 的 优 点 ，也 具 有 神 经 网络 Ｉ
实现 对被 控对 象 的控制 。
好 的控制 效 果。但 当被控 对象数 学模 型复 杂 ，尤其 对 于大 滞后 、时变 和 非线性 的 复杂 系统 ，常规 ＰＤ Ｉ
控 制 显 得 无 能 为 力 ，其 应 用 受 到 很 大 的 限 制 和 挑
２ 单神经元Ｐ 控制器算法原理 Ｉ Ｄ
传统 连续 型 Ｐ Ｄ控 制器 的控 制规律 为 ： Ｉ
微 分 时 间常数 。
性 系统 和不确 定性 系统 ，是一种 解决 问题 的有 效途 径 Ⅲ。本文将 神经 网络与 常规 ＰＤ控 制相 结合 ，发 Ｉ 挥 各 自的优势 ，形成 神经元 自适应 ＰＤ控 制器 ，并 Ｉ 在 Ｐ Ｃ 中设 计 实现 。 与传 统 ＰＤ 相 比较 ，具 有 响 Ｌ Ｉ
，
战 ，因此 ，需要 在传统 的 Ｐ Ｄ控制上 加入 先进 的智 Ｉ
能 控制 算法 ， 得控 制效 果更 为理 想 。神经 网络 具 使 有 逼近任 意连 续有界 非线性 函数 的能 力 ，对于 非线
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式 中： 一 比例 系 数 ； 矸一 积 分 时 间 常 数 ；
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基于Ｐ Ｃ Ｌ 的单神经元ＰＤ控制器的设计 与实现 Ｉ
Ｄｅｓ ｇｎ ａｎ ｉ ｐｌ ｉ ｄ ｍ ｅｍ ｅｎｔ ｉ ｎ ｅ ｅｕｒ ｎ ＰＩ ｃｏｎ ｒ ｌ ａｔｏｎ ｏｆｓｉ ｇｌ ｎ ｏ Ｄ ｔ ｏｌｅｒｂａｓ Ｃ ｅｄ ｏｎ ＰＬ
任俊杰
接 至 Ｐ Ｃ的 Ａ 模块 ，进 行 Ａ Ｄ 转换 。将 测量 值 Ｙ Ｌ Ｉ ／ 与给 定值 ，比较 ，通过 二者 的偏 差 （ ． 进 行单 神经
图 １ 单 神 经 ２ １－１－１ ０１ ２ ９ 基金项 目：北京市属高等学校人才强教计划资助项 目 （ＨＲ ０ １８０ ）；北京市教委科技计划项 目 （ Ｐ ２ １０ ４ ３ ＫＭ２ １ １４７ １）Ｉ ００ １１０ １
０ 引言
ＰＤ控 制 由于其 算法 简单 、容 易实现 和 鲁棒 性 Ｉ
好 等特 点 ，被 广泛 应用于 工业过 程控 制并取 得 了 良
元 Ｐ Ｄ算 法 的运算 得到输 出操 作 信号 （ Ｉ ，经 Ｐ Ｃ Ｌ 的 ＡＯ模 块 进 行 Ｄ Ａ 转 换 ，用 于 驱 动 执 行 机 构 ， ／