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PID控制模块负责接收系统的偏差信号e(t)设定值与输出值的差值根据当前的控制参数Kp、Ki、Kd计算控制信号u(t)并输出至被控对象实现对系统的直接控制。2. 神经网络优化模块作为参数优化核心负责实时调整PID控制器的参数。该模块以系统的偏差e(t)、偏差变化率ec(t)de(t)/dt等为输入信号通过神经网络的学习和计算输出优化后的Kp、Ki、Kd参数并传递给PID控制模块实现控制参数的在线自适应调整。控制器的工作流程为首先采集系统的设定值r(t)和输出值y(t)计算偏差e(t)和偏差变化率ec(t)然后将e(t)和ec(t)输入至神经网络优化模块神经网络通过预先训练好的模型或在线学习输出优化后的Kp、Ki、Kd最后PID控制模块利用新的参数计算控制信号u(t)驱动被控对象运行同时将系统的输出信息反馈至神经网络模块形成闭环优化。3.2 神经网络结构选择与设计考虑到控制参数优化的实时性和准确性需求本研究选用BP神经网络作为优化模块的核心网络。BP神经网络具有结构简单、学习算法成熟、非线性映射能力强等特点能够较好地适应PID参数的在线优化需求。BP神经网络的结构设计如下1. 输入层输入层神经元的数量根据系统的特征参数确定选取系统的偏差e(t)和偏差变化率ec(t)作为输入信号因此输入层神经元个数为2。2. 隐含层隐含层的数量和神经元个数直接影响神经网络的学习能力和泛化能力。通过仿真实验验证选取1层隐含层隐含层神经元个数为10。采用Sigmoid函数作为隐含层的激活函数该函数具有连续可导、非线性映射能力强的特点能够有效处理输入信号的非线性关系。3. 输出层输出层的神经元个数对应PID控制器的参数数量即输出层神经元个数为3分别对应Kp、Ki、Kd三个控制参数。采用线性激活函数作为输出层的激活函数确保输出的控制参数能够在合理的范围内取值。3.3 神经网络学习算法设计神经网络的学习目标是使系统的控制性能指标如超调量、调节时间、稳态误差等达到最优。本研究采用基于误差反馈的反向传播学习算法以系统的偏差平方和作为目标函数通过梯度下降法调整神经网络的权重和阈值实现对PID参数的优化。具体学习过程如下1. 初始化设定神经网络的初始权重和阈值为随机小数值确定学习速率η和动量因子α学习速率用于控制权重调整的步长动量因子用于加快学习收敛速度避免陷入局部极小值。2. 前向传播将输入信号e(t)和ec(t)输入至神经网络通过输入层、隐含层、输出层的依次计算得到输出值Kp、Ki、Kd。3. 计算目标函数选取系统的偏差平方和J 0.5·e²(t)作为目标函数反映系统的控制误差大小。4. 反向传播根据目标函数J对神经网络的权重和阈值求偏导得到梯度下降方向通过以下公式调整权重和阈值Δw η·∂J/∂w α·Δw_prev其中Δw为权重调整量∂J/∂w为目标函数对权重的偏导数Δw_prev为上一次的权重调整量。5. 迭代更新重复前向传播和反向传播过程直至目标函数J达到预设的最小值或迭代次数达到上限此时神经网络的学习过程结束输出优化后的PID参数。四、结论与展望4.1 研究结论本研究提出了一种基于人工神经网络的PID控制器设计方案通过将BP神经网络与传统PID控制器相结合实现了PID控制参数的在线自适应优化。通过理论分析和仿真实验得出以下主要结论1. 基于BP神经网络的PID控制器结构设计合理神经网络能够有效学习系统的动态特性实时优化PID控制参数解决了传统PID控制器参数固定、难以适应复杂非线性时变系统的问题。2. 仿真实验结果表明与传统PID控制器相比ANN-PID控制器在超调量、调节时间、稳态误差等关键性能指标上均有显著提升能够有效加快系统响应速度、提高控制精度、增强系统的平稳性和抗干扰能力。3. 该控制器具有良好的自适应能力和泛化能力在系统参数突变或存在外部扰动的情况下仍能保持优异的控制性能适用于复杂非线性时变系统的控制需求。4.2 未来展望尽管本研究取得了一定的成果但仍存在一些可进一步优化和拓展的方向1. 神经网络结构优化目前采用的是单隐含层BP神经网络未来可尝试采用深度学习网络如卷积神经网络、循环神经网络或混合神经网络结构进一步提升参数优化的精度和实时性。2. 学习算法改进现有学习算法采用传统的梯度下降法存在收敛速度慢、易陷入局部极小值等问题。未来可引入智能优化算法如遗传算法、粒子群优化算法对神经网络的权重和阈值进行优化提升学习效率。3. 实际工程应用验证目前的研究基于仿真实验未来需开展实际工程实验将ANN-PID控制器应用于具体的工业设备或智能装备中验证其在实际工况下的控制性能和可靠性并根据实际应用情况对控制器进行进一步优化。4. 多目标优化设计当前的目标函数主要考虑系统的偏差平方和未来可引入多目标优化思想综合考虑能耗、控制量约束等因素设计更符合实际工程需求的控制器。⛳️ 运行结果 参考文献[1] 杨艺,虎恩典.基于S函数的BP神经网络PID控制器及Simulink仿真[J].电子设计工程, 2014, 22(4):4.DOI:10.3969/j.issn.1674-6236.2014.04.009.[2] 欧艳华.基于神经网络的自适应PID控制器设计[J].机械设计与制造, 2014(6):3.DOI:10.3969/j.issn.1001-3997.2014.06.077.[3] 李绍铭,赵伟.基于S函数的BP神经网络PID控制器Simulink仿真[J].可编程控制器与工厂自动化(PLC FA), 2008(3):3.DOI:CNKI:SUN:KBCK.0.2008-03-034. 部分代码 部分理论引用网络文献若有侵权联系博主删除 关注我领取海量matlab电子书和数学建模资料团队擅长辅导定制多种科研领域MATLAB仿真助力科研梦 各类智能优化算法改进及应用生产调度、经济调度、装配线调度、充电优化、车间调度、发车优化、水库调度、三维装箱、物流选址、货位优化、公交排班优化、充电桩布局优化、车间布局优化、集装箱船配载优化、水泵组合优化、解医疗资源分配优化、设施布局优化、可视域基站和无人机选址优化、背包问题、 风电场布局、时隙分配优化、 最佳分布式发电单元分配、多阶段管道维修、 工厂-中心-需求点三级选址问题、 应急生活物质配送中心选址、 基站选址、 道路灯柱布置、 枢纽节点部署、 输电线路台风监测装置、 集装箱调度、 机组优化、 投资优化组合、云服务器组合优化、 天线线性阵列分布优化、CVRP问题、VRPPD问题、多中心VRP问题、多层网络的VRP问题、多中心多车型的VRP问题、 动态VRP问题、双层车辆路径规划2E-VRP、充电车辆路径规划EVRP、油电混合车辆路径规划、混合流水车间问题、 订单拆分调度问题、 公交车的调度排班优化问题、航班摆渡车辆调度问题、选址路径规划问题、港口调度、港口岸桥调度、停机位分配、机场航班调度、泄漏源定位 机器学习和深度学习时序、回归、分类、聚类和降维2.1 bp时序、回归预测和分类2.2 ENS声神经网络时序、回归预测和分类2.3 SVM/CNN-SVM/LSSVM/RVM支持向量机系列时序、回归预测和分类2.4 CNN|TCN|GCN卷积神经网络系列时序、回归预测和分类2.5 ELM/KELM/RELM/DELM极限学习机系列时序、回归预测和分类2.6 GRU/Bi-GRU/CNN-GRU/CNN-BiGRU门控神经网络时序、回归预测和分类2.7 ELMAN递归神经网络时序、回归\预测和分类2.8 LSTM/BiLSTM/CNN-LSTM/CNN-BiLSTM/长短记忆神经网络系列时序、回归预测和分类2.9 RBF径向基神经网络时序、回归预测和分类2.10 DBN深度置信网络时序、回归预测和分类2.11 FNN模糊神经网络时序、回归预测2.12 RF随机森林时序、回归预测和分类2.13 BLS宽度学习时序、回归预测和分类2.14 PNN脉冲神经网络分类2.15 模糊小波神经网络预测和分类2.16 时序、回归预测和分类2.17 时序、回归预测预测和分类2.18 XGBOOST集成学习时序、回归预测预测和分类2.19 Transform各类组合时序、回归预测预测和分类方向涵盖风电预测、光伏预测、电池寿命预测、辐射源识别、交通流预测、负荷预测、股价预测、PM2.5浓度预测、电池健康状态预测、用电量预测、水体光学参数反演、NLOS信号识别、地铁停车精准预测、变压器故障诊断图像处理方面图像识别、图像分割、图像检测、图像隐藏、图像配准、图像拼接、图像融合、图像增强、图像压缩感知 路径规划方面旅行商问题TSP、车辆路径问题VRP、MVRP、CVRP、VRPTW等、无人机三维路径规划、无人机协同、无人机编队、机器人路径规划、栅格地图路径规划、多式联运运输问题、 充电车辆路径规划EVRP、 双层车辆路径规划2E-VRP、 油电混合车辆路径规划、 船舶航迹规划、 全路径规划规划、 仓储巡逻 无人机应用方面无人机路径规划、无人机控制、无人机编队、无人机协同、无人机任务分配、无人机安全通信轨迹在线优化、车辆协同无人机路径规划 通信方面传感器部署优化、通信协议优化、路由优化、目标定位优化、Dv-Hop定位优化、Leach协议优化、WSN覆盖优化、组播优化、RSSI定位优化、水声通信、通信上传下载分配 信号处理方面信号识别、信号加密、信号去噪、信号增强、雷达信号处理、信号水印嵌入提取、肌电信号、脑电信号、信号配时优化、心电信号、DOA估计、编码译码、变分模态分解、管道泄漏、滤波器、数字信号处理传输分析去噪、数字信号调制、误码率、信号估计、DTMF、信号检测电力系统方面微电网优化、无功优化、配电网重构、储能配置、有序充电、MPPT优化、家庭用电 元胞自动机方面交通流 人群疏散 病毒扩散 晶体生长 金属腐蚀 雷达方面卡尔曼滤波跟踪、航迹关联、航迹融合、SOC估计、阵列优化、NLOS识别 车间调度零等待流水车间调度问题NWFSP、置换流水车间调度问题PFSP、混合流水车间调度问题HFSP、零空闲流水车间调度问题NIFSP、分布式置换流水车间调度问题 DPFSP、阻塞流水车间调度问题BFSP