本發(fā)明涉及冷軋帶鋼酸洗，更具體的說，是涉及一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的酸液溫度控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

酸液溫度是影響冷軋帶鋼酸洗機(jī)組酸洗質(zhì)量的重要參數(shù)之一，目前，冷軋帶鋼酸洗機(jī)組酸液溫度的控制采用傳統(tǒng)PID進(jìn)行控制，現(xiàn)有控制系統(tǒng)存在兩個方面的不足：一、酸液溫度控制響應(yīng)時間較長、超調(diào)較多；二、對于經(jīng)驗不足的現(xiàn)場操作人員，設(shè)定合適的P、I、D參數(shù)KP、KI、KD很不容易，一旦設(shè)定好后，整個控制過程都固定不變，在實際過程中，酸液溫度控制系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，使系統(tǒng)很難達(dá)到最佳的控制效果。

因此有必要設(shè)計一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的酸液溫度控制系統(tǒng)，以克服上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，有必要針對上述問題，提供一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的酸液溫度控制系統(tǒng)及方法，。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的酸液溫度控制系統(tǒng)，包括PID控制器、蒸汽調(diào)節(jié)閥、酸液加熱爐、溫度傳感器和反向傳播的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊和誤差反饋器；

所述PID控制器的溫度配置端口連接所述誤差反饋器的輸出端口，所述PID控制器的配置端口連接所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，所述PID控制器的輸出端連接所述蒸汽調(diào)節(jié)閥的控制接口；

所述蒸汽調(diào)節(jié)閥的閥門位于酸液加熱爐的蒸汽傳輸管道上，用于控制導(dǎo)入所述酸液加熱爐的蒸汽量；

所述溫度傳感器設(shè)置在所述酸液加熱爐的酸液流出口上，并連接著所述誤差反饋器，用于測量被加熱后的酸液溫度，并將酸液溫度反饋給所述誤差反饋器；

所述誤差反饋器的輸入端口并聯(lián)所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的第一輸入端口，所述誤差反饋器的輸出端口并聯(lián)所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的第二輸入端口。

作為優(yōu)選的，所述誤差反饋器包括一個參數(shù)輸入端口、一個反饋輸入端口和一個誤差輸出端口；

所述溫度傳感器通過與其連接的反饋輸入端口，將酸液溫度反饋給所述誤差反饋器；

所述參數(shù)輸入端口連接所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的第一輸入端口，用于獲取酸液溫度配置參數(shù)；

所述誤差輸出端口并聯(lián)PID控制器的輸入端口和所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的第二輸入端口。

作為優(yōu)選的，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊包括三層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，輸入層神經(jīng)元個數(shù)取2個，分別是輸入的溫度參數(shù)和誤差反饋器的誤差結(jié)果，隱含層神經(jīng)元取n個，輸出層神經(jīng)元取3個，分別是參數(shù)K_P、參數(shù)K_I和參數(shù)K_D。

作為優(yōu)選的，所述隱含層神經(jīng)元之間的連接對應(yīng)不同且可不斷調(diào)整更新的加權(quán)系數(shù)。

作為優(yōu)選的，所述PID控制器為單片機(jī)、PLC或智能電腦。

作為優(yōu)選的，所述輸出層神經(jīng)元的激活函數(shù)表達(dá)式為：

$f1\left(x\right)=\frac{e^x}{e^x+e^{-x}}$

隱含層神經(jīng)元的激活函數(shù)表達(dá)式為：

$f2\left(x\right)=\frac{e^x}{e^x+e^{-x}}$

所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊采用BP算法進(jìn)行學(xué)習(xí)，選取性能指標(biāo)函數(shù)為：

$E\left(k\right)=\frac{1}{2}{\left(r\right(k)-y(k\left)\right)}^2$

式中，k表示學(xué)習(xí)步數(shù)，r(k)表示第k步的輸入，y(k)表示第k步的輸出。

一種根據(jù)上述系統(tǒng)進(jìn)行酸液溫度控制的方法，包括以下步驟：

S1、初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊各層的加權(quán)系數(shù)初值，設(shè)定學(xué)習(xí)速率δ和慣性系數(shù)α，令k＝1；

S2、采樣獲得r(k)和y(k)，計算此時刻誤差e(k)＝r(k)-y(k)；

S3、計算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層神經(jīng)元的輸入、輸出，輸出即為PID控制器的三個可調(diào)參數(shù)K_P、K_I、K_D；

S4、計算PID控制器的輸出u(k)；

u(k)＝u(k-1)+K_P*(e(k)-e(k-1))+K_I*e(k)+K_D*(e(k)-2*e(k-1)+e(k-2))；

S5、進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，調(diào)整加權(quán)系數(shù)，PID控制器控制參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整；

S6、將k變換為k+1并計算，判斷是否達(dá)到訓(xùn)練要求，如果沒有，返回到步驟S2。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供的酸液溫度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)酸液溫度響應(yīng)時間比傳統(tǒng)PID控制短，超調(diào)比傳統(tǒng)PID控制小，PID控制器的參數(shù)可以依據(jù)運行情況進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到較優(yōu)的控制效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述酸液溫度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)圖；

圖2是本發(fā)明所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖；

圖3是本發(fā)明所述酸液溫度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明所述的一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的酸液溫度控制系統(tǒng)及方法作進(jìn)一步說明。

以下是本發(fā)明所述的一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的酸液溫度控制系統(tǒng)及方法的最佳實例，并不因此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實施例一：

如圖1所示，為本發(fā)明實施例提供本發(fā)明提供一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的酸液溫度控制系統(tǒng)，包括：PID控制器1、蒸汽調(diào)節(jié)閥2、酸液加熱爐3、溫度傳感器4和反向傳播的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back Propagation Neural Network，簡寫為：BP-NN)模塊5和誤差反饋器6，具體的：

所述PID控制器的溫度配置端口連接所述誤差反饋器6的輸出端口，所述PID控制器的PID配置端口連接所述BP-NN模塊5，所述PID控制器1的輸出端連接所述蒸汽調(diào)節(jié)閥2的控制接口；

所述蒸汽調(diào)節(jié)閥2的閥門位于酸液加熱爐3的蒸汽傳輸管道上，用于控制導(dǎo)入所述酸液加熱爐3的蒸汽量；

所述溫度傳感器4設(shè)置在所述酸液加熱爐3的酸液流出口上，并連接著所述誤差反饋器6，用于測量被加熱后的酸液溫度，并將酸液溫度反饋給所述誤 差反饋器6；

所述誤差反饋器6的輸入端口并聯(lián)所述BP-NN模塊5的第一輸入端口，所述誤差反饋器6的輸出端口并聯(lián)所述BP-NN模塊5的第二輸入端口。

結(jié)合本發(fā)明實施例，存在一種優(yōu)選的實現(xiàn)方案，其中，所述誤差反饋器包括一個參數(shù)輸入端口、一個反饋輸入端口和一個誤差輸出端口，具體的：

所述溫度傳感器4通過與其連接的反饋輸入端口，將酸液溫度反饋給所述誤差反饋器；

所述參數(shù)輸入端口連接所述BP-NN模塊5的第一輸入端口，用于獲取酸液溫度配置參數(shù)；

所述誤差輸出端口并聯(lián)PID控制器1的輸入端口和所述BP-NN模塊5的第二輸入端口。

結(jié)合本發(fā)明實施例，存在一種優(yōu)選的實現(xiàn)方案，其中，所述BP-NN模塊5具體為三層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，輸入層神經(jīng)元個數(shù)取2個，分別是輸入的溫度參數(shù)和誤差反饋器6的誤差結(jié)果，隱含層神經(jīng)元取6個，輸出層神經(jīng)元取3個，分別是參數(shù)K_P、參數(shù)K_I和參數(shù)K_D。

結(jié)合本發(fā)明實施例，存在一種優(yōu)選的實現(xiàn)方案，其中，所述PID控制器具體為單片機(jī)、PLC或者智能電腦。

本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明提供的酸液溫度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)酸液溫度響應(yīng)時間比傳統(tǒng)PID控制短，超調(diào)比傳統(tǒng)PID控制小，PID控制器的參數(shù)可以依據(jù)運行情況進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到較優(yōu)的控制效果。

實施例二：

實施例一公開了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的酸液溫度控制系統(tǒng)，本實施例將通過簡單的執(zhí)行流程闡述實施例一所提出的一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的酸液溫度 控制系統(tǒng)的工作機(jī)制，具體包括：

誤差反饋器6根據(jù)溫度傳感器4反饋回來的實時酸液溫度和初始輸入的溫度值積分計算傳遞給PID控制器，所述PID控制器計算出蒸汽調(diào)節(jié)閥2的開口度，酸液加熱爐3進(jìn)行加熱，溫度傳感器4實時采集酸液溫度并反饋到前端，BP-NN模塊依據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)，實時調(diào)整PID控制器1參數(shù)K_P、K_I、K_D，然后發(fā)送到PID控制器1。

實施例三：

本實施例闡述適用于本發(fā)明所提出的一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的酸液溫度控制系統(tǒng)的K_P、K_I、K_D模塊5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示，采用三層BP網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)為2-6-3結(jié)構(gòu)，輸入層神經(jīng)元個數(shù)取2個，分別是輸入r和輸出y，隱含層神經(jīng)元取6個，輸出層神經(jīng)元取3個，分別是K_P、K_I、K_D，其中，隱含層神經(jīng)元的個數(shù)可以進(jìn)行調(diào)整，神經(jīng)元之間的連接對應(yīng)不同且可不斷調(diào)整更新的加權(quán)系數(shù)。

隱含層的激活函數(shù)：

$f\left(x\right)=\frac{e^x-e^{-x}}{e^x+e^{-x}}$

輸出層神經(jīng)元的激活函數(shù)：

$f\left(x\right)=\frac{e^x}{e^x+e^{-x}}$

BP-NN模塊5采用BP算法進(jìn)行學(xué)習(xí)，選取性能指標(biāo)函數(shù)為：

$E\left(k\right)=\frac{1}{2}{\left(r\right(k)-y(k\left)\right)}^2$

式中，k表示學(xué)習(xí)步數(shù)，r(k)表示第k步的輸入，y(k)表示第k步的輸出。

實施例四：

本實施例將基于具體的控制算法流程，介紹本發(fā)明所提出的一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的酸液溫度控制系統(tǒng)的使用流程，按照梯度下降法修正網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)系數(shù)，控制算法流程圖如圖3所示，具體包括以下步驟：

S1、初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊各層的加權(quán)系數(shù)初值，設(shè)定學(xué)習(xí)速率δ和慣性系數(shù)α，令k＝1；

S2、采樣獲得r(k)和y(k)，計算此時刻誤差e(k)＝r(k)-y(k)；

S3、計算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層神經(jīng)元的輸入、輸出，輸出即為PID控制器的三個可調(diào)參數(shù)K_P、K_I、K_D；

S4、計算PID控制器的輸出u(k)；

u(k)＝u(k-1)+K_P*(e(k)-e(k-1))+K_I*e(k)+K_D*(e(k)-2*e(k-1)+e(k-2))；

S5、進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，調(diào)整加權(quán)系數(shù)，PID控制器控制參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整；

S6、將k變換為k+1并計算，判斷是否達(dá)到訓(xùn)練要求，N為設(shè)定的學(xué)習(xí)步數(shù)，超過設(shè)定的學(xué)習(xí)步數(shù)即認(rèn)為學(xué)習(xí)結(jié)束，達(dá)到訓(xùn)練要求，如果沒有，返回到步驟S2；

以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。