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文档简介
1,智能控制系统,天津大学电气与自动化工程学院,五,天津大学自动化学院,第三章 神经网络控制,天津大学自动化学院,基于人工神经网络的控制简称神经控制。神经网络是由大量人工神经元广泛互联而成的网络,具有很强的自适应性和学习能力、非线性映射能力、鲁棒性和容错能力。 1.1 生物神经元模型 人脑大约包含1012个神经元,分成约1000种类型,每个神经元大约与102104个其他神经元相连接,形成极为错综复杂而又灵活多变的神经网络。,1. 神经网络的基本概念,天津大学自动化学院,1. 神经网络的基本概念,树突:接受信息 轴突:发送信息 神经元:控制和信息处理的基本单元,图3-1 生物神经元结构,天津大学自动化学院,1. 神经网络的基本概念,神经元的功能与特性 时空整合功能:对不同时间不同突触的输入进行整合 兴奋与抑制状态:输入膜电位 输出 脉冲与电位转换 :数模转换 神经纤维传导速度:1-150m/s 突触延时和不应期:突触的不应期 学习、遗忘和疲劳:突触的传递作用可增强、减弱或饱和,天津大学自动化学院,1.2 人工神经元模型 人工神经元是对生物神经元的一种模拟与简化,是一个多输入、单输出的非线性元件。,1. 神经网络的基本概念,图3-2 人工神经元结构模型,天津大学自动化学院,人工神经元输入、输出关系可描述为 其中, 是从其他神经元传来的输入信号; 表示从神经元j到神经元i的连接权值; 为阈值; 称为激发函数或作用函数。,1. 神经网络的基本概念,天津大学自动化学院,为了方便起见,常把 看成是恒等于1的输入 的权值,则人工神经元的模型可以写为: 其中 输出激发函数 又称为变换函数,它决定神经元(节点)的输出。该输出为1或0,取决于其输入之和大于或小于内部阈值, 一般具有非线性特性。,1. 神经网络的基本概念,天津大学自动化学院,1. 神经网络的基本概念,图3-3 常见的激发函数,阈值型函数,阈值型函数,饱和型函数,双曲函数,S型函数,高斯函数,天津大学自动化学院,1.3 人工神经网络模型 利用人工神经元可以构成各种不同拓扑结构的神经网络,它是生物神经网络的一种模拟和近似。目前已有数十种不同的神经网络模型,其中前馈型网络和反馈型网络是两种典型的结构模型。 前馈型神经网络,又称前向网络(Feedforward NN)。神经元分层排列,有输入层、隐层(亦称中间层,可有若干层)和输出层,每一层的神经元只接受前一层神经元的输入。,1. 神经网络的基本概念,天津大学自动化学院,图3-4 前馈型神经网络结构,前馈网络是一种强有力的学习系统,其结构简单而易 于编程; 前馈网络是静态非线性映射,通过简单非线性处理单 元的复合映射,可获得复杂的非线性处理能力。 感知器网络、BP网络,1. 神经网络的基本概念,天津大学自动化学院,图3-5 反馈型神经网络结构,反馈型神经网络(Feedback NN)的结构如图所示。如果总节点(神经元)数为N,那么每个节点有N个输入和一个输出,也就是说,所有节点都是一样的,它们之间都可相互连接。,1. 神经网络的基本概念,天津大学自动化学院,反馈神经网络是一种反馈动力学系统,它需要工作一段时间才能达到稳定。 Hopfield神经网络是反馈网络中最简单且应用广泛的模型,它具有联想记忆的功能。,1. 神经网络的基本概念,1.4 神经网络的学习方法 学习方法是体现人工神经网络智能特性的主要标志,离开了学习算法,人工神经网络就失去了自适应、自组织和自学习的能力。 神经网络的学习是通过改变权值实现的。,天津大学自动化学院,1. 神经网络的基本概念,有教师学习:网络的输出和期望的输出(即教师信 号)进行比较 无教师学习:按照一预先设定的规则(如竞争规则) 自动调整权值 再励学习:行动评价改进,图3-6 神经网络的学习,天津大学自动化学院,Hebb学习规则 两个神经元同时处于激发状态时,它们之间的连接强度将得到加强,这一论述的数学描述被称为Hebb学习规则 。 Hebb学习规则是一种无教师的学习方法。,1. 神经网络的基本概念,天津大学自动化学院,Delta()学习规则 定义误差准则函数 其中 代表期望的输出(教师信号); 是网络的实际输出, 连接权阵的更新规则为,1. 神经网络的基本概念,天津大学自动化学院,学习规则是一种有教师的学习方法。 BP算法是在规则基础上发展起来的。 概率式学习 竞争式学习 遗传算法,DE算法 等等。,1. 神经网络的基本概念,天津大学自动化学院,2.1 感知器(Perceptron) 特点: 单层神经元。主要用于模式分类。 结构:输入向量 , 为网络输出。,2.前向网络及其主要算法,天津大学自动化学院,分类:当输入向量属于某一类时,该类对应的输出量yp=1,其余输出量yq(q=1p-1,p+1m)= -1 分类是由单个神经元完成的,可以研究其中一个:,2.前向网络及其主要算法,图3-8 单个神经元,天津大学自动化学院,学习算法 随机给定一组初始权值 ,这里 表示在k时刻连接第i个输入量 的权值 。 给定一组输入样本 和期望输出量d(当输入量属于某一类 ,其他类则 ) 计算感知器
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