基于BP神经网络PID控制在热力站的应用

基于BP神经网络PID控制在热力站的应用
常云泽;杨风;康海洋
【摘要】热力站的换热器是一个非线性、时变的控制系统.常规的PID控制对热力站是不能达到较好的控制效果,于是提出了基于BP神经网络的智能PID控制方法对热力站控制.本文在介绍了BP神经网络模型的基础上,使用基于BP算法的PID 控制器对热力站的换热器进行优化和整合,实现了对PID参数的在线调整,并使神经网络的学习和收敛速度加快,结果表明,采用神经网络PID控制对非线性系统及其参数有良好的整定,具有更好的适应性和鲁棒性.
【期刊名称】《电子测试》
【年(卷),期】2010(000)010
【总页数】4页(P80-83)
【关键词】热力站换热器;神经网络;传统PID控制;MATLAB
【作者】常云泽;杨风;康海洋
【作者单位】中北大学信息与通信工程学院,太原,030051;中北大学信息与通信工程学院,太原,030051;中北大学信息与通信工程学院,太原,030051
【正文语种】中文
【中图分类】TP301.6
0 引言
本文对热力站中的换热器控制系统传统的控制方法和该系统的总体结构以及各部分
机理进行了剖析，建立换热器控制系统的神经网络PID控制模型，用BP神经网络确定PID参数以实现换热器系统的神经网络PID控制。

对控制结果进行仿真，并
分析设计结果。

利用MATLAB检验控制效果。

1 基于BP神经网络PID整定原理
PID要取得良好的控制效果，就必须通过调整好比例、积分、微分3种控制作用。

形成控制量中即相互制约又相互配合的关系，这种关系不一定是简单的“线性组合”，从变化无穷的线性组合中可以找到最佳的关系。

神经网络具有的任意非线性的表达能力，可以通过系统性的学习来实现具有最佳组合的PID控制。

基于BP神经网络的PID的控制系统的控制器由2部分构成：
（1）经典PID控制器，直接对闭环控制对象进行控制，并且对3个参数KP、KD、 Ki为在线调整方式；
（2）神经网络：根据系统的运行状态，调节PID控制器的参数，以期达到某种性能指标的最优化，使输出层神经元的输出状态对应于PID控制器的3个可调参数KP、KD、 Ki，通过神经网络的自学习、加权系数的调整，使神经网络的输出对
应于某种最优控制规律下的PID控制器参数。

2 热力站传递函数的模型
由于热工对象往往内部机理比较复杂，而且，实际的热工过程多半具有非线性因素，在进行数学推导时常常作了一些近似与假设，虽然这些近似与假设具有一定的实际依据，但并不能完全反应实际情况，甚至带来一些估计不到的影响。

所以，要采用实验的方法即辨识方法来求出热工对象的实际模型，也就是传递函数的模型。

在本文中，采用输入量是阀门的开度，输出量是二次网的供热水温度值。

换热器的动态性能近似为一个带延时的一阶非周期环节，其传递函数形式如下：
为了进行计算机控制，我们需要将连续系统离散化以便获得离散信号。

分析离散系
统可以用古典的Z变换求出系统的脉冲传递函数G(z)，再从脉冲传递函数G(z)求
出离散系统的动态方程——差分方程，就能方便地对离散系统进行数字仿真及控
制了。

用Z变换法求连续系统离散化后的脉冲传递函数及差分方程，TS为采样周期。

则
广义对象传递函数为G(s),对其进行Z变换可得到与G(s)等价的离散模型：
3 建立热力站的BP神经网络模型
（1）选定神经网络的结构，即选定神经网络的输入节点M与隐藏节点L的个数；网络的输入与输出结点是由实际问题本质决定的，与网络性能无关，网络训练前的一个关键步骤是确定隐藏节点数L，隐藏节点数与其说具有科学性，不如说更具有技巧性。

往往与输入数据中隐藏的特征因素有关的。

L的初始值可由式（3）来确定：
本文选定的是集中供热二次回水中的温度控制，共有4个输入，3个输出由上式得：隐含层的节点个数L为5。

所以，在本文中热力站中的换热站BP神经网络供热模型为4-5-3的神经网络模型；
（2）采样得到r(k)、q(k)，计算e(k)=r(k)-q(k)；
（3）由于采集的各数据单位不一致，因而须对r(k)、q(k)、e(k)、u（k-1）进行
归一化处理；
（4）计算神经网络的各层神经元的输入与输出，BP神经网络的输出即为PID个
可调参数Kp(k),Kd(k),Ki(k);
（5）计算PID控制器的控制输出u(k);
（6）根据性能指标函数来计算误差，若误差满足要求，则结束计算，否则继续；（7）计算修正输出层的权系数Woj;
（8）计算修正隐含层的权系数Wij；
（9）设置K=K+1，返回2循环。

4 热力站神经网络模型MATLAB仿真结果
输入层与输出层的权值：
仿真结果如图1、图2所示。

图1：参数自适应调整曲线
图2 基于BP神经网络PID热力站仿真曲线
5 结束语
本文针集中供热中热力站的换热器控制系统探讨了二次水温度的控制设计。

对于二次回水的温度的控制调节采用了一种新型的智能控制算法——基于神经网络的
PID算法。

本文以MATLAB为工具对BP神经网络PID控制算法进行了仿真实验，结果表明本文所采用的控制算法较单纯PID算法具有良好的控制效果，其具有广
阔的应用前景。

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