基于改进BP神经网络的电加热炉炉温PID控制研究

　　摘 要：以电加热炉为控制对象，提出一种基于BP神经网络的PID控制策略。针对BP网络学习速度的缓慢性及较差的泛化能力，受Fletcher-Reeves线性搜索方法的指引，对传统BP神经网络进行改进，改善算法在训练过程中的收敛特性。最后仿真结果证明了该控制策略的有效性。
　　关键词：电加热炉；BP神经网络；PID控制
　　
　　1 基于BP神经网络的PID控制
　　
　　BP算法是在导师指导下，适合于多层神经元网络的一种学习，它是建立在梯度下降法的基础上的。理论证明，含有一个隐含层的BP网络可以实现以任意精度近似任何连续非线性函数。
　　BP神经网络结构如图1所示，由三层(输人层、隐含层、输出层)网络组成，使输出层的神经元状态对应PID控制器的三个可调参数Kp、Ki、Kd。通过神经网络的自学习、加权系数调整使神经网络输出对应于某种最优控制律下的PID控制器参数。 　　
　　
　　基于BP(Baekpropgation)网络的PID控制系统结构如图2所示，控制器由常规的PID控制器和神经网络两部分组成，常规PID控制器直接对被控对象进行闭环控制，并且其控制参数为Kp、Ki、Kd在线调整方式；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对应于PID控制器的三个可调参数Kp、Ki、Kd。通过神经网络的自学习、加权系数的调整，使神经网络输出对应于某种最优控制规律下的PID控制器参数。

　　2 改进型BP神经网络
　　
　　基本BP神经网络主要存在以下两个缺陷：其一，传统BP网络是一个非线形优化问题，不可避免的存在局部极小问题。网络的权值和阀值沿局部改善的方向不断修正，力图达到使误差函数 最小化的全局解，但实际上常得到的是局部最优点；其二，学习过程中，误差函数下降慢，学习速度缓，易出现一个长时间的误差坦区，即出现平台。
　　目前已有不少人对此提出改进的方法。如在修改权值中加入“动量项”，采用Catchy误差估计器代替传统的LMS误差估计器等。本文在此探讨通过变
　　换梯度来加快网络训练的收敛速度的共轭梯度算法,利用这种算法改善收敛速度与收敛性能。改进共轭梯度算法在不增加算法复杂性的前提下可以提高收敛速度，并且可以沿共轭方向达到全局最优即全局极值点。它要求在算法进行过程中采用线性搜索，本文采用Fletcher-Reeves线性搜索方法，以保证算法的收敛速度。
　　将改进共轭梯度法应用于BP网络的控制算法如下：