[发明专利]一种基于神经网络的超声波分散仪温度控制方法

权利要求书

1.一种基于神经网络的超声波分散仪温度控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤1、通过传感器对恒温控制系统的各项指标进行数据采集；

用流量传感器采集反应材料的进料量，用温度传感器采集反应釜中的环境温度，用流量传感器采集冷却水管中流量的大小；

步骤2、BP神经网络训练以及前馈控制；

以下为BP神经网络训练步骤：

STEP2.1、先对网络中权值、学习率、动量因子进行初始化，选取N个扰动信号q作为样本在BP神经网络中的迭代训练，设第k个样本的输入向量为

STEP2.2、BP神经网络的隐含层的输入输出分别为

式中为隐含层对应的权值,u为隐含层对应的神经元个数；

设BP神经网络隐含层神经元的泛化函数为

STEP2.3、BP神经网络的输出层的输入输出分别为

式中为输出层权值；

STEP2.4、由误差函数即r(k)为温度在前馈系统中的期望输出Y＝0，y(k)为系统在干扰下的实际输出值；判断误差是否达到要求，到达则退出训练，否则进行下一步；

STEP2.5、对于输入样本，反向计算每一层神经元的局部梯度，

按式

式中，g′(x)＝g(x)(1-g(x)),f′(x)＝(1-f²(x))/2，和分别为输出层和隐含层之间的修正权值，

K+1时刻下输出层和隐含层的权值为：

计算修正后的权值，放入下一个样本值，转到STEP2.3；

步骤3、用滤波算法对反应釜中的温度采样信号进行滤波

根据信号的采样频率F_s,用公式L_d＝K×F_s×L_p计算出中值滤波器的窗口宽度L_d，L_p为毛刺脉冲宽度，K为整数型窗口系数，；得到窗口宽度L_d后，按权值向量W＝[W₁,W₂,…,W_2d+1]对窗口内数据进行加权处理；再按L(A)＝Med[W₁※s(A-d),W_d+1※s(A),…,W_2d+1※s(A+d)]进行取中值运算，对信号进行重新的输出，得到加权中值滤波后的处理结果作为神经网络的输入信号；其中Med表示取窗口内所有位数的中位数，※表示复制即

步骤4、对RBF神经网络进行训练；

STEP4.1、初始化隶属函数的中心c₀和宽度b₀，以及网络的初始权值；选定学习系数和惯性系数；

STEP4.2、采样系统给定值和实际输出，计算误差e(k)和误差变化率ec(k)；

STEP4.3、在RBF神经网络中，设输入向量X＝[x₁,x₂]^T,其中x₁为实际输出温度和期望值之间的误差e(k)，x₂为误差变化率ec(k)；K也表示第k个样本；

由此可以确定模糊RBF神经网络第二层的节点数为7层，即l＝7，第三层的节点数为49个，即n＝49；

第一层为输入层即f₁(i)＝x_i，i＝1,2；

第二层为模糊化层，模糊隶属函数均选用高斯函数，得到的输入分量在不同的模糊语言值对应的隶属度为：

其中c_ij、b_ij分别时第i个输入变量第j个模糊集合的隶属函数的中心矢量和宽度；

第三层为模糊推理层，每个节点的适用度为：

其中N_i是第i个输入的模糊分割函数；

第四层为输出层，即f₄(1),f₄(2),f₄(3)分别为PID的三个参数K_p，K_i，K_d；

其中w_sd为输出层节点与第三层各个节点的连接权矩阵，s＝1，2，3；PID调节器的控制规律为：

其中K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数；

因为控制器Δu(k)＝K_px(1)+K_ix(2)+K_dx(3)，其中

x(1)＝e(k)-e(k-1)

x(2)＝e(k)

x(3)＝e(k)-2e(k-1)+e(k-2)

采用增量式PID算法

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

网络逼近误差指标函数为二次型

其中r(k)为温度的期望值也就是我们的给定值，y(k)为实际的输出温度值；判断E是否小于阈值ε，小于则退出训练，否则进行下一步；STEP4.4、根据梯度下降法，节点基宽、节点中心及权值调节可得

其中η₁为学习率，α₁为动量因子，取值均在0到1之间；

STEP4.5、取下一个采样数据，返回STEP4.2；

步骤5、用模糊RBF神经网络计算PID参数；

把RBF神经网络和模糊PID算法相结合，设r(k)为输入的给定信号，y(k)为输出信号，则基于RBF神经网络改进的PID控制误差为e(k)＝r(k)-y(k)

将x(1),x(2),x(3)代入到增量式PID控制算法中求解，得控制算法

u(k)＝u(k-1)+K_px(1)+K_ix(2)+K_dx(3)

神经网络的训练指示为

将E(k)带入增量PID控制器的参数K_p，K_i，K_d的表达式中

其中，学习效率由η表示，系统的灵敏度信息由表示，从而得出其中w_j为训练后RBF模糊神经网络第三层的输出权值，c_j和b_j为训练后的模糊神经网络第三层各节点的中心值和宽度；然后将PID参数传送到PID控制器中，输出冷却水阀得控制信号，来控制冷却水阀的开度。