三容水箱的神经网络控制

摘要基于神经网络控制的三容水箱仿真专业：自动化 学好：6100307176姓名：何强 指导老师：张肃宇摘要三容水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成三容水箱的数学模型，具有很强的代表性和工业背景，研究三容水箱的建模及控制具有重要的理论意义及实际应用价值。通过对三容水箱的仿真研究更清楚的了解那些非线性、时延对象的模型。本设计介绍了三容水箱的硬件结构和工作原理，通过建立三容水箱的一般数学模型，对水箱的液位进行了仿真研究，运用神经网络的监督控制方案对水箱进行监督管理，仿真结果表明RBF网络监督控制不仅可以确保控制系统的稳定性和鲁棒性，而且可有效的提高系统的精度和自适应能力。关键词：三容水箱；建模；RBF网络监督控制；仿真AbstractControl based on neural network simulation of the three-tank waterAbstractThree-tank water is a typically-linked and delayed plant which has the very strong background of industry,for the whole or part of many controlled objects can be extracted as mathematic model of three-tank water.Research on modeling and control of three-tank water has far theoretical significance and practical value. Through the simulation of the three-tank clearer understanding of those non-linear, delay the object model.This design introduces a three-tank hardware structure and working principle, Through the establishment general mathematical model of three-tank, simulated the level of the water, Supervision and control of the neural network program supervision and management of water tank, Simulation results show that the RBF network supervision and control not only to ensure control system stability and robustness, But also can effectively improve the system accuracy and adaptability.Keywords:three-tank water; Modeling; RBF network supervisory control; Simulation目录目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题的提出11.2 国内外研究现状1第二章 三容水箱原理结构及数学模型32.1 三容水箱原理结构32.2 三容水箱数学模型5第三章 MATLAB仿真软件93.1 Matlab的特点及应用领域93.2 matlab操作界面103.3 matlab的各种文件143.4 matlab程序设计15第四章 神经网络及控制方案174.1 什么是神经网络174.2 神经网络的优点174.3 神经网络三要素及分类184.4神经网络的学习算法194.5 RBF网络监督控制器设计214.6 仿真23总结27参考文献28致谢29附录30第一章 绪论第一章 绪论1.1课题的提出随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。而实际生产过程中的被控对象往往具有非线性、时延的特点，应用常规的控制手段难以达到理想的控制效果，研究对非线性、时延对象的先进控制策略，提高控制系统的控制水平，具有重要的实际意义。三容水箱是较为典型的非线性，时延对象，工业上许多被控对象的整体和局部都可以抽象成三容水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对三容水箱数学模型的建立是非常有意义的。同时，三容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产液位控制系统的研究有指导意义，例如工业锅炉，结晶器液位控制等。而且，三容水箱的控制可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础研究。同时，它具有较强的综合性，涉及控制原理、智能控制、流体力学等多个学科。通过水箱液位控制系统实验，除可以掌握控制理论、计算机、仪器仪表知识和现代控制知识之外，还可以熟悉生产过程的工艺流程，从控制的角度理解它的静态和动态特性。1.2国内外研究现状1.2 水箱模型的研究德国Amiar自动化公司研制的三容水箱系统是著名的智能实验设备之一，在国外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江大学、吉林大学等高校引进了Amiar公司研制的三容水箱过程控制实验装置。但是，由于德国Amiar自动化公司研制的三容水箱系统价格太高，给购置这个实验设备带来很多困难。也正是受其高价格的限制，目前，国内只是少数高校的部分实验室引进了这个设备，给基于三容水箱系统的算法研究和仿真带来了困难。国内也有一些厂家研制了三容水箱液位系统。CWT系列水箱液位控制实验装置由固高科技有限公司协同香港城市大学联合研制开发而成，并经过香港城市大学三年的实践检验，充分证明了其教学、实验和研究价值。用户既可通过经典的PD控制器设计与调试，完成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。各种控制器的控制效果既通过水位的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。开放的控制器平台，便于用户进行自己的控制器设计，满足创新研究的需要。THsJ一1型三容水箱对象系统实验装置由浙江天煌科技实业有限公司研制开发，它的出现为各大专院校，科研院所从事自动控制理论学习、研究及控制模型和算法探索的人员及高年级本科生和研究生提供了一个具体的控制对象。1.2.1 水箱控制策略的研究由于三容水箱的非线性、大惯性、延迟特性，控制策略研究主要有以下几个方面：（1） 预测控制。目前对三容水箱液位控制大多限于预测控制。例如，应用一种工业上易于获取的阶跃响应模型，根据其预测控制算法对有约束的三容水箱进行模型预测控制；或者利用神经网络广义预测控制算法实现三容水箱的控制。（2） 容错控制。由于三容水箱能够在实验过程中模拟各种实际应用故障，所以少数实验室也研究关于故障诊断和容错控制在三容水箱上的应用。（3） 解耦控制。国内外三容水箱实验系统大多通过阀门相互连通，三容水箱存在一定耦合，通过系统解耦进行控制。（4） 模糊控制及神经网络控制。由于液体本身的属性及控制机构的摩擦、噪声等的影响，三容水箱的精确数学模型难以建立，而智能控制器的设计却不依靠过程的数学模型，因而往往可以取得较好的控制效果2第二章 三容水箱原理结构及数学模型第二章 三容水箱原理结构及数学模型2.1 三容水箱原理结构三容水箱液位控制系统是过程控制中的,一种典型的控制对象,工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成三容水箱的数学模型,在实际生产中有着非常广泛的应用背景。它具有过程控制中动态过程的一般特点：大惯性、大时延、非线性、难以对其进行精确控制。对于这样的复杂系统,采用神经网络控制方法进行控制,对水箱内的液位进行实时仿真，仿真结果显示建立的数学模型能正确的反应出三容水箱的动态特性。2.1.1 水箱系统简介该实验系统由三个水箱，水泵，电磁调节阀，一个大蓄水箱和其他负载阀门组成。该系统还包括了传感器、执行器、IO连接板，并与上位机通信。通过组态软件可以实时的显示各水箱液位和上水箱的水流人量。水流入量Qi由电磁调节阀控制；上、中、下三个水箱的流出量Q1、Q2、Q3则由负载阀来改变。2.1.2 原理框图三容水箱如图2-1所示，它包含电控箱、水箱本体及由AD/DA 数据采集卡和普通PC机组成的控制实验平台等三大部分。2-1三容水箱结构图2.1.3 操作步骤：1） 打开电磁阀，设定初始开度2） 待水箱整体达到平衡后，记录平衡时各水箱的液位高度h以及电磁阀的开度3） 增大或者减小电磁阀的开度，重复步骤24） 根据实验结果建立数学模型5） 为了更准确的建立数学模型，进行多次步骤136） 根据建立的数学模型进行matlab编程仿真2.2 三容水箱数学模型如图2-2所示 2-2 三容水箱模型系统可看成简单的三个但容水箱的串联构成，例如以上水箱为例，流入量由电磁阀控制，流出量则由负载阀控制，水位的变化反应出流入量和流出量不等而引起水箱中蓄水和泄水的过程，当水的流入量和流出量相等的时候，水位保持不变，当流入量增大，导致水位上升的时候造成水的静压力增大，则水的流出量也增大，最终达到平衡状态，水位再次稳定。通过物料平衡可得公式: 三个水箱的截面积都为S。设S=0.2 所以可列出以下方程：其中 、分别为上、中、下三个水箱的线性水阻。、分别为上、中、下三个水箱的液位。通过数学推到运算，可得三阶微分方程：按照流体力学原理,流出量Q0 与出口静压力差有关,同时还与调节阀门的阻力R 有关, 假设三者之间的变化关系为:Q0 = h/ R流体在一般流动条件下,液位h 和流量Q0 之间的关系是非线性的, 如图2-3 所示。由于水箱液位变化较为缓慢,并行为了简化问题,可以用a、b 两个平衡点间的直线代替原曲线上的一段曲线, 进行线性化处理。经过线性化后,水阻R 是常数。 2-3 线性化原理图水箱的流入量可以通过电磁流量计读出，设上、中、下水箱高度均为0.25m。显示的液位均用百分比表示。开始时设电磁阀的开度为10%，等到液位达到平衡时记录试验参数：流入量=0.75，上、中、下三个水箱的液位分别为15.7%、13.1%、20.2%。然后增大电磁阀的开度，即增大电磁阀上的电流，使得开度调大到70%，记录此时平衡时开度：流入量=1.45 ，上、中、下三个水箱的液位分别为45.8%、28.8%、65.9%。从而可以算的三容水箱的数学模型。当水箱平衡时，,由此便可以计算出上、中、下三个水箱的线性化水阻：由 、 、可得：对上式进行拉普拉斯变换可得三容水箱的传递函数：采用z变换进行离散化，经过z变换后的离散化对象为5第三章 MATLAB仿真软件第三章 MATLAB仿真软件3.1 Matlab的特点及应用领域1. 语言简洁，编程效率高因为MATLAB 定义了专门用于矩阵运算的运算符，使得矩阵运算就像列出算式执行标量运算一样简单，而且这些运算符本身就能执行向量和标量的多种运算。利用这些运算符可使一般高级语言中的循环结构变成一个简单的MATLAB 语句，再结合MATLAB 丰富的库函数可使程序变得相当简短，几条语句即可代替数十行C 语言或Fortran 语言程序语句的功能。2. 交互性好，使用方便在MATLAB 的命令窗口中，输入一条命令，立即就能看到该命令的执行结果，体现了良好的交互性。交互方式减少了编程和调试程序的工作量，给使用者带来了极大的方便。因为不用像使用C 语言和Fortran 语言那样，首先编写源程序，然后对其进行编译、连接，待形成可执行文件后，方可运行程序得出结果。3. 强大的绘图能力，便于数据可视化MATLAB 不仅能绘制多种不同坐标系中的二维曲线，还能绘制三维曲面，体现了强大的绘图能力。正是这种能力为数据的图形化表示(即数据可视化)提供了有力工具，使数据的展示更加形象生动，有利于揭示数据间的内在关系。4. 学科众多、领域广泛的工具箱MATLAB 工具箱(函数库)可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互的功能。而学科性工具箱是专业性比较强的，如优化工具箱、统计工具箱、控制工具箱、通信工具箱、图像处理工具箱、小波工具箱等。5. 开放性好，易于扩充除内部函数外，MATLAB 的其他文件都是公开的、可读可改的源文件，体现了MATLAB开放性特点。用户可修改源文件和加入自己的文件，甚至构造自己的工具箱。6. 与C 语言和Fortran 语言有良好的接口通过MEX 文件，可以方便地调用C 语言和Fortran 语言编写的函数或程序，完成MATLAB 与它们的混合编程，充分利用已有的C 语言和Fortran 语言资源。MATLAB 的应用领域十分广阔，典型的应用举例如下：(1) 数据分析；(2) 数值与符号计算；(3) 工程与科学绘图；(4) 控制系统设计；(5) 航天工业；(6) 汽车工业；(7) 生物医学工程；(8) 语音处理；(9) 图像与数字信号处理；(10) 财务、金融分析；(11) 建模、仿真及样机开发；(12) 新算法研究开发；(13) 图形用户界面设计。3.2 matlab操作界面安装后首次启动MATLAB 所得的操作界面如图3-1所示，这是系统默认的、未曾被用户依据自身需要和喜好设置过的界面。MATLAB 的主界面是一个高度集成的工作环境，有4 个不同职责分工的窗口。它们分别是命令窗口(Command Window)、历史命令(Command History)窗口、当前目录(CurrentDirectory)窗口和工作空间 (Workspace)窗口。除此之外，MATLAB 6.5 之后的版本还添加了开始按钮(Start)。 3-1 matlab默认主界面3.2.1命令窗口(Command Window)在MATLAB 默认主界面的右边是命令窗口。因为MATLAB 至今未被汉化，所有窗口名都用英文表示，所以“Command Window”即指命令窗口。命令窗口顾名思义是接收命令输入的窗口，但实际上，可输入的对象除MATLAB 命令之外，还包括函数、表达式、语句以及M 文件名或MEX 文件名等，为叙述方便，这些可输入的对象以下通称语句。MATLAB 的工作方式之一是：在命令窗口中输入语句，然后由MATLAB 逐句解释执行并在命令窗口中给出结果。命令窗口可显示除图形以外的所有运算结果。可单击窗口右上角的按钮将窗口分离出来，如图3-2所示。另外还可以直接用鼠标拖动命令窗口，还可以单击右上角的按钮将窗口还原。 3-2 分离的命令窗口3.2.2 历史命令(Command History)窗口历史命令窗口是MATLAB 用来存放曾在命令窗口中使用过的语句。它借用计算机的存储器来保存信息。其主要目的是为了便于用户追溯、查找曾经用过的语句，利用这些既有的资源节省编程时间。单击历史命令窗口右上角的按钮，便可将其从MATLAB 主界面分离出来，如图3-3所示。从窗口中记录的时间来看，其中存放的正是曾经使用过的语句。对历史命令窗口中的内容，可在选中的前提下，将它们复制到当前正在工作的命令窗口中，以供进一步修改或直接运行。其优势在如下两种情况下体现得尤为明显：一是需要重复处理长语句；二是在选择多行曾经用过的语句形成M 文件时。 3-3 分离的历史命令窗口3.2.3 当前目录(Current Directory)窗口MATLAB 借鉴Windows 资源管理器管理磁盘、文件夹和文件的思想，设计了当前目录窗口。利用该窗口可组织、管理和使用所有MATLAB 文件和非MATLAB 文件，例如新建、复制、删除和重命名文件夹和文件。甚至还可用此窗口打开、编辑和运行M 程序文件以及载入MAT 数据文件等。当然，其核心功能还是设置当前目录。当前目录窗口如图3-4所示。 3-4 当前目录窗口3.2.4工作空间（Workspace）窗口工作空间窗口的主要目的是为了对MATLAB 中用到的变量进行观察、编辑、提取和保存。从该窗口中可以得到变量的名称、数据结构、字节数、变量的类型甚至变量的值等多项信息。工作空间的物理本质就是计算机内存中的某一特定存储区域，因而工作空间的存储表现亦如内存的表现。工作空间窗口如图2-5所示。因为工作空间的内存性质， 存放其中的MATLAB 变量(或称数据)在退出MATLAB 程序后会自动丢失。若想在以后利用这些数据，可在退出前用数据文件(.MAT 文件)将其保存在外存上。其具体操作方法有两种：(1)在工作空间窗口中结合快捷菜单来实现；(2)在命令窗口中执行相关命令。 3-5 分离的工作空间窗口3.2.5 帮助（Help）窗口图3-6所示是MATLAB 的帮助窗口。该窗口分左右两部分，左侧为帮助导航器(HelpNavigator)，右侧为帮助浏览器。 3-6 帮助窗口3.3 matlab的各种文件因为MATLAB 是一个多功能集成软件，不同的功能需要使用不同的文件格式去表现，所以MATLAB 的文件也有多种格式。最基本的是M 文件、数据文件和图形文件，除此之外，还有MEX 文件、模型文件和仿真文件等。下面分别予以说明。(1) M 文件，以.m 为扩展名，所以称为M 文件。M 文件是由一系列MATLAB 语句组成的文件，包括命令文件和函数文件两类，命令文件类似于其他高级语言中的主程序或主函数，而函数文件则类似于子程序或被调函数。MATLAB 众多工具箱中的(函数)文件基本上是M 函数文件。因为它们是由ASCII 码表示的文件，所以可由任一文字处理软件编辑后以文本格式存放。(2) 数据文件，以.mat 为扩展名，所以又称MAT 文件。在讨论工作空间窗口时已经涉及到MAT 文件。显然，数据文件保存了MATLAB 工作空间窗口中变量的数据。(3) 图形文件，以.fig 为扩展名。主要由MATLAB 的绘图命令产生，当然也可用File菜单中的New 命令建立。(4) MEX 文件，以.mex 或.dll 为扩展名，所以称MEX 文件。MEX 实际是由MATLABExecutable 缩写而成的，由此可见，MEX 文件是MATLAB 的可执行文件。(5) 模型和仿真文件，模型文件以.mdl 为扩展名，由Simulink 仿真工具箱在建立各种仿真模型时产生。仿真文件以.s 为扩展名。3.4 matlab程序设计3.4.1 脚本文件和函数文件定义Matlab提供了方便的方法来进行程序设计，即采用M文件编程。Matlab的M文件有两类：脚本文件和函数文件。我们将原来要在matlab环境下直接输入的语句，放在一个.m后缀的文件中，这一文件就称为脚本文件。有了脚本文件，可直接在matlab中输入脚本文件名，这时matlab会打开这一脚本文件，并以此执行脚本文件的每一条语句，这与在matlab中直接输入语句的结果完全一致。另一类M文件是函数文件，它的第一行必须是函数定义行，函数文件由五部分组成。即：函数定义行、H1行、函数帮助文本、函数体、注释。3.4.2 流程控制流程控制语句可改变程序执行的流程，matlab的流程控制句有四类：if、else、elseif、end构成条件转移语句；switch、case、otherwise、end构成情况切换语句；while、end构成不定词重复的循环语句；for、end构成指定次重复的循环语句。这些语句的使用，给matlab程序设计带来了极大的方便，也给设计带来了灵活性。3.4.3 用户参数交互输入在M文件执行过程中，可输入程序所需的参数，这可使程序设计变的更加灵活。用户参数输入可有三种方式：利用input函数输入参数，这时刻同时显示出提示信息；利用keyboard函数进入键盘主控状态，直接修改或输入变量；利用menu函数制作成交互输入的菜单，这可使输入界面更加友好。另外，pause命令可使matlab进入暂停状态，也即进入键盘主控状态，从而可成一些特殊操作。3.4.4 程序设计技术程序设计的好坏直接影响到程序执行的效率。为了提高程序执行的速度，下面介绍的是两种提高执行速度的技术：循环的向量化、阵列预分配。循环的向量化Matlab是以矩阵为基础的算法，它特别适用于矩阵处理。在实际运行中，有些循环可直接转换成向量操作，这样可大大提高程序的执行速度。这种技术称为循环的向量化。因此在程序编写时，应尽量避免采用循环，将它转换成向量进行处理。阵列预分配利用预分配结果阵列可减少程序执行时间。一般在程序实际中，经常会涉及到循环重复，每次循环只是会得到一个结果元素（比如y（k）。如果我们不对y阵列预分配存储单元，则y阵列每次将自动增大，从而大大降低计算效率。通过对y预分配，我们可免去每次增大y的操作，从而大大的减少计算时间。3.4.5 matlab程序调试matlab的调试器（debugger）可以帮助找出matlab程序中的错误，使用调试可在执行中随时显示出工作空间的内容，查看函数调用的栈关系，并且可单独执行M函数代码。Matlab程序调试主要用来纠正两类错误：格式错误和运行错误。格式错误：比如函数名的错误、缺括号等。MATLAB可在运行程序时检测出大多数的格式错误，并显示出错信息和出错位置。这类错误可很容易找到，并加以纠正。运行错误：这些错误通常发生在算法和设计错误上，例如修改了错误的变量，计算不正确等。运行错误一般不易找出位置，因此要利用调试器工具来诊断。8第四章 神经网络及控制方案第四章 神经网络及控制方案4.1 什么是神经网络自从认识到人脑的计算与传统的数字计算机相比是完全不同的方式开始，关于人工神经网络的研究工作就开始了。一个发展中的“神经元”是与可塑的人脑同义的。可塑性允许一个发展中的神经元系统适应它的周边环境。可塑性似乎是人脑中作为信息处理单元的神经元的功能的关键，同样，它在人工神经元组成的神经网络中亦是如此。最普通形式的神经网络就是对人脑完成特定任务或感兴趣功能的方法进行建模的机器；网络一般用电子器件实现或者用软件在数字计算机上模拟。本课程设计中，我们用到的重要神经网络是通过学习过程实现有用的计算。为了获得好的效果，神经网络使用一个很庞大的简单计算单元间的相互连接。这些简单计算单元称为神经元或者处理单元。据此，我们给出将神经网络看做一种自适应机器的定义（1）：一个神经网络是一个由简单处理元构成的规模宏大的并列分布式处理器，天然具有存储经验知识和使之可用的特性。神经网络和人脑在两个方面相似：1.神经网络获取的知识是从外界环境中学习得来的。2.互联神经元的链接强度，即突触权值，用于储存获取的知识。用于完成学习过程的程序称为学习算法，突触权值修改是提供神经网络设计的传统方法。4.2 神经网络的优点神经网络的计算能力有以下两点：（1）大规模并行分布式结构。（2）神经网络学习能力以及由此而来的泛化能力。泛化是指神经网络对不在训练（学习）集中的数据可以产生合理的输出。这两种信息处理能力让神经网络可以解决一些当前还不能处理的复杂的问题。但是在实践中，神经网络不能单独作出解答，他们需要被整合成一个协调一致的系统工程方法中。具体讲，一个复杂问题往往被分解成若干相对简单的任务，而神经网络处理与其能力相符的子任务。神经网络具有下列性质和能力：1. 非线性。一个人工神经元可以是线性或者是非线性的。一个由非线性神经元互联而成的神经网络自身是非线性的，并且非线性是一种分布于整个网络中的特殊性质。非线性是一个很重要的性质，特别当如果产生输入信号内部的物理机制是天生非线性时。2. 输入输出映射。3. 适应性。神经网络嵌入了一个调整自身突触权值以适应外界变化的能力。特别是，一个在特定运行环境下接受训练的神经网络，对环境条件不大的变化可以容易进行重新训练。而且，当他在一个时变环境中运行时，网络突触权值就可以设计成随时间变化。用于模式识别、信号处理和控制的神经网络与他的自适应能力耦合，就可以变成能进行自适应模式识别、自适应信号处理和自适应控制的有效工具。作为一个一般规则，在保证系统保持稳定时一个系统的自适应性越好，当要求在一个时变环境下运行时它的性能就越具鲁棒性。4. 证据相应。在模式识别的问题中，神经网络可以设计成既提供不限于哪一个特定模式的信息，也提供决策的置信度的信息。后者可以用来拒判那些出现的过于模糊的模式。有这些信息，网络的分类性能就会改善。5. 背景的信息。神经网络的特定结构和激发状态代表知识。网络中每一个神经元潜在地都受到网络中所有其他神经元全局活动的影响。因此，背景信息自然由一个神经网络处理。6. 容错性。一个以硬件形式实现后的神经网络有天生容错的潜质，或者鲁棒计算的能力，意即它的性能在不利运行条件下逐渐下降。7. VLSI（very-large-scale-integrated）实现。神经网络的大规模并行性使他具有快速处理某些任务的潜在能力。这一特性使得神经网络很适合用超大规模集成技术实现。VLSI的一个特殊优点是提供一个以高度分层的方式捕捉真实复杂性行为的方法。8. 分析和设计的一致性。基本上，神经网络作为信息处理器都具有通用性。9. 神经生物类比。4.3 神经网络三要素及分类4.3.1 神经网络三要素1. 神经元（信息处理单元）的特性；2. 神经元之间相互连接的拓扑结构；3. 为适应环境而改善性能的学习规则。4.3.2 神经网络的分类1. 前向网络：神经元分层排列，组成输入层、隐含层和输出层。每一层的神经元只接受前一层神经元的输入。输入模式经过各层的顺序变换后，由输出层输出。在个神经元之间不存在反馈，图4-1所示。 4-1 前向型神经网络2. 反馈网络：该网络结构在输出层到输入层存在反馈，即每一个输入节点都有可能接受来自外部的输入和来自输出神经元的反馈。这种网络是一种反馈动力学系统，它需要工作一段时间后才能达到稳定，如图4-2所示。 4-2 反馈型神经网络3. 自组织网络：当神经网络在接受外界输入时，网络将会分成不同的区域，不同区域具有不同的响应特性，即不同的神经元以最佳方式响应不同性质的信号激励，从而形成一种拓扑意义上的特征图，该图实际上是一种非线性映射。这种映射是通过无监督的自适应过程完成的，所以也称为自组织特征图，如图4-3所示。 4-3 自组织神经网络4.4神经网络的学习算法目前神经网络的学习算法有多种，按有无导师分类，可以分为有导师学习、无导师学习和再励学习等几大类。在有导师的学习方式中。网络的输出和期望的输出进行比较，然后根据两者之间的差异调整网络的权值，最终使差异变小，如图4-4所示。在无导师学习方式中，输入模式进入网络后，网络按照一定预先设定的规则自动调整权值，是网络最终具有模式分类等功能，如图4-5所示。再励学习是介于上述两者之间的一种学习方式，如图4-6所示。 4-4 有导师学习 4-5 无导师学习 4-6 再励学习下面是两个基本的神经网络学习算法。 Hebb学习规则 Hebb提出的学习规则可归结为“当某一突触(连接)两端的神经元激活同步(同为激活或同为抑制)时，该连接的强度应增加，反之则应减弱”，用数学方式可描述为 式中，为学习速率。由于与、的相关成比例，故有时称之为相关学习规则。 在Hebb学习规则的基础上增加一个衰减项，即 衰减项的加入能够增加网络学习的“记忆”功能，并且能够有效地对权值的取值加以限制。Delta()学习规则 若为输入 时神经元在时刻的实际输出，表示相应的期望输出，则误差信号可写为 误差纠正学习的最终目的是使某一基于的目标函数达最小，以使网络中每一输出单元的实际输出在某种统计意义上最逼近于期望输出。 常用的目标函数是均方误差判据，定义为 式中，E统计期望算于，上式的前提是被学习的过程是宽而乎稳的，具体方法可用最陡梯度下降法。 直接用作为目标函数时问题变为求 对权值 的极小值，根据最陡梯皮下降法可得式中，为学习速率或步长()，为激活函数。这就是通常说的误差纠正学习规则(或称学习规则)，用于控制每次误差修正值。它是基于使输出方差最小的思想而建立的。 4.5 RBF网络监督控制器设计基于RBF网络监督控制系统如图4-7所示，设计思想为监督控制器实际上是一个前馈控制器，它建立的是被控对象的逆模型。神经网络控制器通过对传统控制器的输出进行学习，在线调整网络权值，使反馈控制输入趋近于零，从而使神经网络控制器逐渐在控制作用中占主导地位，最终取消反馈控制器的作用。一旦系统出现干扰，反馈控制系统重新起作用。因此，这种前馈加反馈的监督控制方法，不仅可以确保控制系统的稳定性和鲁棒性，而且可有效的地提高系统的精度和自适应能力。4-7 神经网络监督控制在RBF网络结构中，取网络的输入为，网络的径向基向量为，为高斯基函数，即 式中，j=1，,m,为节点j的基宽参数，为网络第j个节点中心矢量，网络的权向量 RBF的网络输出为 式中，m为RBF网络隐含神经元的个数。控制率为 根据神经网络监督原理，要想使神经网络控制器占主导地位，设神经网络调整的性能指标为 近似取，由此产生的不精确通过权值调节来补偿。采用梯度下降法调整网络的权值为 神经网络权值的调整过程为 式中，为学习速率，为动量因子。4.6 仿真根据传递函数采样时间为1ms。采用z变换进行离散化，经过z变换后的离散化对象为：指令信号幅值为0.5，频率为2赫兹的方波信号，取指令信号为作为网络输入，网络隐层神经元个数取，网络结构为1-4-1，网络的初始权值W取01之间的随机值，高斯函数的参数值取，网络权值学习参数。用RBF网络监督控制的方法进行仿真，仿真结果如下：4-8 输出跟踪对比通过比较图像我们发现系统输出较好的跟踪了一阶方波信号，说明了该监督控制算法具有较好的控制性能。4-9 经过监督控制输出的从结果可以看出，监督控制输出的结果很接近输入的方波信号，基本达到目的。4-10 PD控制的输出结果4-11 经过RBF监督控制器的输出u从仿真结果看，采用RBF监督控制基本可以达到仿真的要求。10总结总结经过这几个月的努力学习和工作，我已经将三容水箱基于神经网络的仿真控制设计完毕。在这个过程中，我对智能控制、神经网络控制算法以及matlab仿真软件有了更深的认识。下面是我的一些切身感受，在设计三容水箱的智能控制过程当中，我遇到了一些困难。虽然此前在课堂上，我曾接触过三容水箱的问题，可以说对水箱系统有所了解。但课堂上的老师几乎只是粗略的讲解，很少涉及到仿真研究。同时，由于对matlab编程不是很熟悉，最初仿真结果总是没有输出y，经过长时间的深入学习，结合过去学过的最终将问题解决。通过学习和查找相关资料我对智能控制理论有了进一步的了解，并在MATLAB中实现了RBF网络监督控制的应用。通过仿真，虽然系统的控制效果仍未达到理想的效果，但在大部分状况下，已能基本显示出三容水箱液位的变化过程以及对时延现象的体现，可以说基本达到了设计的要求。经过这次毕业设计，使我觉得不论从理论知识还是从实际操纵中都学到了不少知识，我想归纳起来，主要有以下五个方面： 1、经过这次毕业设计，它让我接触更多平时没有接触过的科学仪器设备、元器件以及获得相关的仪器调试经验，同时我也发现自己在这方面很多不足之处。体会到理论知识对实践有很大的指导作用，让我知道，只有在正确的理论指引下，才能设计出合乎实际需要的硬件电路。 2、学会了高效率的查阅资料、运用工具书、利用网络查找资料。我发现，在我们所使用的书籍上有一些知识在实际应用中其实并不是十分理想，各种参数都需要自己去调整。偶而还会遇到错误的资料现象，这就要求我们应更加注重实践环节。 3、在毕业设计中，我们应当注意重点与细节的关系。 4、失败不可怕，只要不趴下，昂首向前走，希望总会有。 5、同组同学相互包容，彼此合作，取长补短，才能铸就最后的成功。 可以这样说毕业设计是对大学三年所学知识的一次运用和检阅，同时对自学能力提出很高的要求，所以平时的学习离开思考，就是严重的错误，我们学习不应该有偏科现象，各方面的知识都应该要接触，这样做才能为毕业设计打下基石。0参考文献参考文献【1】刘金琨智能控制2版.北京：电子工业出版社，2009.07【2】王淑英 电器控制与PLC控制技术北京：机械工业出版社【3】李伟.三容水箱液位控制系统D.哈尔滨：黑龙江科技学院学报，2004.【4】徐丽娜.神经网络控制M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995【5】朱学峰. 过程控制技术的发展、现状与展望期刊论文-测控技术 1999(07)【6】王锦标.方崇智 过程计算机控制 1991【7】张乃尧，阎平凡，神经网络与模糊控制，清华大学出版社，1998年10月【8】李伯虎，文传源，系统仿真技术新动向，计算机仿真，第13卷第3期，1996年9月【9】张志涌等编著，精通MATLAB，北京航空航天大学出版社，2003年3月【10】张航、黄攀译，精通MATLAB6)，清华大学出版社，2002年6月【11】胡峰，孙国基，过程监控技术及其应用，国防工业出版社，2002年5月1致谢致谢本文是在我的导师张肃宇教授的悉心指导下完成的，张老师渊博的理论知识、敏锐的洞察力，严谨治学和实事求是的态度使我获得有益的启发，受益匪浅，对我论文的顺利完成起了不可磨灭的作用，对我今后的学习、工作和生活将产生积极而深远