改進(jìn)單神經(jīng)元自適應PID控制器應用于污水處理

傳統的PID調節器具有結構簡(jiǎn)單、調整方便和參數整定與工程指標聯(lián)系密切的優(yōu)點(diǎn)，在過(guò)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(xué)者提出了改進(jìn)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(jīng)元作為構成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的基本單位，具有自學(xué)習和自適應能力，結合神經(jīng)元構成的控制系統算法簡(jiǎn)單、易實(shí)現。將神經(jīng)元技術(shù)與傳統PID控制相結合，則可以在一定程度上解決傳統PID控制器不易進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)參數整定的問(wèn)題[2]。

但是當前神經(jīng)元PID系統中，對于最敏感的系數之一的增益系數只在初始時(shí)設定，不具備在線(xiàn)調整功能，學(xué)習速率一般是通過(guò)大量的仿真和實(shí)驗得來(lái)，在控制過(guò)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(jīng)元自適應模糊PID控制策略用于對主動(dòng)懸架的控制。本文在參考文獻[4]的基礎上將神經(jīng)元與無(wú)辨識自適應控制率結合起來(lái)，提出一種改進(jìn)型單神經(jīng)元PID控制器，在線(xiàn)調整增益系數和學(xué)習率，進(jìn)一步提高控制系統的魯棒性和自適應能力。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，復雜控制算法的復用性較差，且不易在監控組態(tài)環(huán)境中直接實(shí)現。ActiveX技術(shù)可以靈活、高效地應用于重入、重用、完全分布式、與語(yǔ)言無(wú)關(guān)的各種場(chǎng)合。ActiveX技術(shù)擴充了監控組態(tài)軟件的功能，可以使監控組態(tài)軟件完成復雜高級控制算法。本文將改進(jìn)型單神經(jīng)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(guò)程溶解氧的控制，仿真結果表明了改進(jìn)算法的有效性和實(shí)用性。

1 PID控制器

1.1 單神經(jīng)元PID控制器

由具有自學(xué)習和自適應能力的單神經(jīng)元構成的單神經(jīng)元自適應PID控制器，結構簡(jiǎn)單，能適應環(huán)境變化，有較強的魯棒性。神經(jīng)元作為構成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的基本單元，具有自學(xué)習和自適應的能力，而且易于計算。傳統的PID調節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(diǎn)[2]。將兩者結合，便可以在一定程度上解決傳統PID調節器不易在線(xiàn)實(shí)時(shí)整定參數和難于對一些復雜過(guò)程和參數慢時(shí)變系統進(jìn)行有效控制的不足。用神經(jīng)元實(shí)現的自適應PID控制器結構框圖如圖1所示。

K為神經(jīng)元的增益系數。K值越大，則快速性越好，但超調量大，甚至可能使系統不穩定。當被控對象時(shí)延增大時(shí)，K值必須減小，以保證系統穩定。K值選擇過(guò)小，會(huì )使系統的快速性變差。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(xué)習速率，目前所采用的神經(jīng)元自適應PID控制器的學(xué)習速率是通過(guò)大量的仿真和實(shí)驗得來(lái)，在控制過(guò)程中保持定值，這樣便限制了控制器品質(zhì)的進(jìn)一步提高。對于神經(jīng)元系統最敏感的增益系數也不具備在線(xiàn)學(xué)習自動(dòng)調整功能，這樣也一定程度上限制了控制效果。

1.2 改進(jìn)型單神經(jīng)元PID控制器

針對上述控制器的不足，結合Marsik、Strejc提出的無(wú)需辨識的自適應控制算法，動(dòng)態(tài)調整增益系數，并且自調整學(xué)習率以進(jìn)一步提高控制系統的魯棒性和自適應能力。

Marsik和Strejc提出的無(wú)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(shí)現在線(xiàn)控制或者仿真。ActiveX控件是一個(gè)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(lái)使用。ActiveX控件具有可移植性、擴展性強、使用廣等特點(diǎn)[5]。本文在VS2005環(huán)境下，通過(guò)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(gè)外殼，生成所有的必要文件并配置項目，在編譯項目時(shí)編譯器就會(huì )建立一個(gè)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(lèi)中實(shí)現增量式PID和神經(jīng)元PID控制算法。添加WM_TIMER消息，取周期屬性的值設置定時(shí)器，在OnTimer函數中判斷ControlFlag的值，它會(huì )隨著(zhù)用戶(hù)屬性頁(yè)中選擇所需控制器類(lèi)型改變而改變。添加WM_CREATE消息，在響應函數中動(dòng)態(tài)添加“啟動(dòng)”、“設置”按鈕，分別用來(lái)啟動(dòng)控制器和彈出屬性設置畫(huà)面。在OnDraw函數中繪制控件外觀(guān)，顯示當前期望輸出、反饋輸入、控制器輸出等過(guò)程量和運行、控制器輸出越限等標志。

3 ActiveX控件應用實(shí)例

將此控件應用于污水處理過(guò)程DO(溶解氧)濃度的控制。典型的污水處理過(guò)程見(jiàn)圖2。

設計MFC應用程序對溶解氧控制過(guò)程進(jìn)行仿真，用封裝了改進(jìn)型單神經(jīng)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(guān)地顯示被控系統的響應曲線(xiàn)。

改進(jìn)前的單神經(jīng)元PID控制策略使用的學(xué)習率ηp=1.4，ηi=1.35，ηd=1.2，增益系數K=2。改進(jìn)后的單神經(jīng)元PID控制器學(xué)習率和增益系數的初始值與改進(jìn)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(jìn)前單神經(jīng)元PID控制的仿真曲線(xiàn)超調為6.8%，而改進(jìn)型的單神經(jīng)元PID調節器控制的仿真曲線(xiàn)可以達到基本無(wú)超調，具有更好的控制性能。經(jīng)過(guò)大量的仿真實(shí)驗發(fā)現，單神經(jīng)元PID控制器在參數設置合適時(shí)控制效果比較理想，但是對參數的要求比較敏感，而改進(jìn)型神經(jīng)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(wú)需辨識的自適應控制算法，提出一種動(dòng)態(tài)調整增益系數和自適應學(xué)習率的改進(jìn)型單神經(jīng)元PID控制策略，并利用ActiveX技術(shù)將改進(jìn)型單神經(jīng)元自適應PID控制算法封裝在A(yíng)ctiveX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(guò)程溶解氧的控制進(jìn)行仿真。結果表明，改進(jìn)型單神經(jīng)元PID與未改進(jìn)單神經(jīng)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(kāi)發(fā)的ActiveX控件可重復利用，具有良好的實(shí)用價(jià)值。