改進單神經元自適應PID控制器應用于污水處理
傳統(tǒng)的PID調節(jié)器具有結構簡單、調整方便和參數整定與工程指標聯(lián)系密切的優(yōu)點,在過程控制中獲得了廣泛的應用,但算法參數整定困難,且參數不具有自適應能力。很多學者提出了改進型PID控制算法,趙建華、沈永良等人[1]推導出一種自適應PID控制算法,仿真結果表明控制算法的有效性。神經元作為構成神經網絡的基本單位,具有自學習和自適應能力,結合神經元構成的控制系統(tǒng)算法簡單、易實現。將神經元技術與傳統(tǒng)PID控制相結合,則可以在一定程度上解決傳統(tǒng)PID控制器不易進行在線實時參數整定的問題[2]。
但是當前神經元PID系統(tǒng)中,對于最敏感的系數之一的增益系數只在初始時設定,不具備在線調整功能,學習速率一般是通過大量的仿真和實驗得來,在控制過程中保持不變,這些都在一定程度上影響了控制效果。孫夏娜等[3]將單神經元自適應模糊PID控制策略用于對主動懸架的控制。本文在參考文獻[4]的基礎上將神經元與無辨識自適應控制率結合起來,提出一種改進型單神經元PID控制器,在線調整增益系數和學習率,進一步提高控制系統(tǒng)的魯棒性和自適應能力。
在實際生產過程中,復雜控制算法的復用性較差,且不易在監(jiān)控組態(tài)環(huán)境中直接實現。ActiveX技術可以靈活、高效地應用于重入、重用、完全分布式、與語言無關的各種場合。ActiveX技術擴充了監(jiān)控組態(tài)軟件的功能,可以使監(jiān)控組態(tài)軟件完成復雜高級控制算法。本文將改進型單神經元自適應PID控制算法封裝于ActiveX控件,并將該控件應用于污水處理過程溶解氧的控制,仿真結果表明了改進算法的有效性和實用性。
1 PID控制器
1.1 單神經元PID控制器
由具有自學習和自適應能力的單神經元構成的單神經元自適應PID控制器,結構簡單,能適應環(huán)境變化,有較強的魯棒性。神經元作為構成神經網絡的基本單元,具有自學習和自適應的能力,而且易于計算。傳統(tǒng)的PID調節(jié)器具有調整方便和參數整定與工程指標聯(lián)系密切等特點[2]。將兩者結合,便可以在一定程度上解決傳統(tǒng)PID調節(jié)器不易在線實時整定參數和難于對一些復雜過程和參數慢時變系統(tǒng)進行有效控制的不足。用神經元實現的自適應PID控制器結構框圖如圖1所示。
K為神經元的增益系數。K值越大,則快速性越好,但超調量大,甚至可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定。當被控對象時延增大時,K值必須減小,以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。K值選擇過小,會使系統(tǒng)的快速性變差。因此需要選擇合適的K值,以獲得良好的系統(tǒng)性能。
由式(1)可以看出各權系數的修正速度取決于各自的學習速率,目前所采用的神經元自適應PID控制器的學習速率是通過大量的仿真和實驗得來,在控制過程中保持定值,這樣便限制了控制器品質的進一步提高。對于神經元系統(tǒng)最敏感的增益系數也不具備在線學習自動調整功能,這樣也一定程度上限制了控制效果。
1.2 改進型單神經元PID控制器
針對上述控制器的不足,結合Marsik、Strejc提出的無需辨識的自適應控制算法,動態(tài)調整增益系數,并且自調整學習率以進一步提高控制系統(tǒng)的魯棒性和自適應能力。
Marsik和Strejc提出的無辨識自適應控制算法可描述為:
2 控件設計
為了增強該算法的應用性,本文將其封裝成ActiveX控件,使控制算法能重復使用于支持ActiveX的組態(tài)軟件或者其他軟件,實現在線控制或者仿真。ActiveX控件是一個軟件組件,可以嵌入到許多不同的程序,并把它當作程序自身的一部分來使用。ActiveX控件具有可移植性、擴展性強、使用廣等特點[5]。本文在VS2005環(huán)境下,通過MFC ActiveX Control向導制作ActiveX控件,它為要創(chuàng)建的任何ActiveX 控件建立一個外殼,生成所有的必要文件并配置項目,在編譯項目時編譯器就會建立一個ActiveX控件,它將生成OCX文件。
在控件中添加的接口屬性包括周期、期望輸出、反饋輸入、控制器各種參數等;事件包括控制器輸出超出上限、超出下限,反饋輸入超出上限、超出下限,方法包括控制器輸出清零。
在CPidctrl類中實現增量式PID和神經元PID控制算法。添加WM_TIMER消息,取周期屬性的值設置定時器,在OnTimer函數中判斷ControlFlag的值,它會隨著用戶屬性頁中選擇所需控制器類型改變而改變。添加WM_CREATE消息,在響應函數中動態(tài)添加“啟動”、“設置”按鈕,分別用來啟動控制器和彈出屬性設置畫面。在OnDraw函數中繪制控件外觀,顯示當前期望輸出、反饋輸入、控制器輸出等過程量和運行、控制器輸出越限等標志。
3 ActiveX控件應用實例
將此控件應用于污水處理過程DO(溶解氧)濃度的控制。典型的污水處理過程見圖2。
設計MFC應用程序對溶解氧控制過程進行仿真,用封裝了改進型單神經元PID控制策略的ActiveX控件作為控制器。程序中添加了繪圖控件NTGraphCtrl,以直觀地顯示被控系統(tǒng)的響應曲線。
改進前的單神經元PID控制策略使用的學習率ηp=1.4,ηi=1.35,ηd=1.2,增益系數K=2。改進后的單神經元PID控制器學習率和增益系數的初始值與改進前的相同。仿真結果如圖3、圖4所示。由以上的仿真結果可以看出,改進前單神經元PID控制的仿真曲線超調為6.8%,而改進型的單神經元PID調節(jié)器控制的仿真曲線可以達到基本無超調,具有更好的控制性能。經過大量的仿真實驗發(fā)現,單神經元PID控制器在參數設置合適時控制效果比較理想,但是對參數的要求比較敏感,而改進型神經元PID控制器的參數具有自調整特性,表現出更強的自適應性和魯棒性。
本文結合無需辨識的自適應控制算法,提出一種動態(tài)調整增益系數和自適應學習率的改進型單神經元PID控制策略,并利用ActiveX技術將改進型單神經元自適應PID控制算法封裝在ActiveX控件中,使控制算法能方便地重復應用于支持ActiveX的組態(tài)軟件以及其他支持ActiveX控件的應用軟件。在VS2005環(huán)境下,設計了MFC應用程序,對污水處理過程溶解氧的控制進行仿真。結果表明,改進型單神經元PID與未改進單神經元PID控制方法相比,具有更好的自適應性和更強的魯棒性。開發(fā)的ActiveX控件可重復利用,具有良好的實用價值。
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