基于神经网络的预测控制算法-计算机工程与设计.pdf

1、第 卷 第 期 计 算 机 工 程 与 设 计 年 月基 于 神 经 网 络 的 预 测 控 制 算 法李 爱 梅 , 赵 明 生南 京 钟 山 学 院 , 江 苏 南 京 南 京 森 林 公 安 高 等 专 科 学 校 , 江 苏 南 京摘 要 针 对 某 炼 油 厂 油 品 车 间 染 油 调 和 过 程 这 个 多 输 入 多 输 出 复 杂 对 象 进 行 了 神 经 网 络 内 模 控 制 的 仿 真 研 究 , 其 中 在 线优 化 算 法 采 用 线 性 规 划 的 方 法 神 经 网 络 预 测 控 制 正 是 克 服 了 传 统 控 制 思 想 的 束 蜂 , 通 过 对 象

2、 的 输 入 输 出 特 性 建 立 对 象 的数 学 模 型 , 而 不 必 通 过 复 杂 的 系 统 辫 识 来 建 立 过 程 的 模 型 对 仿 真 结 果 进 行 了 比 较 , 结 果 表 明 神 经 网 络 预 测 拉 制 算 法 对 复杂 对 象 具 有 较 好 的 控 制 作 用关 键 词 神 经 网 络 预 测 控 制 算 法 内 模 控 制 线 性 规 划中 图 法 分 类 号 文 献 标 识 码 文 章 编 号 一 一 一 以知一 , 一 扩, , , ,曲 , 即 一 , , , 乡 刊叩 帅刀 一幻 。引 言先 进 控 制 策 略 从 提 出 至 今 己 有 几

3、十 年 , 其 理 论 都 有 得 到期 了 飞 速 的 发 展 。 在 实 际 工 业 过 程 中 运 用 神 经 网 络 预 测 算法 , 对 先 进 控 制 策 略 中 的 多 变 量 预 测 控 制 的 工 业 实 际 应 用 和单 变 量 预 测 函 数 控 制 的 理 论 及 工 业 应 用 进 行 重 点 研 究 。 其 主要 特 点 是 直 接 将 过 程 的 关 联 性 纳 入 控 制 算 法 中 , 能 处 理 操 纵变 量 与 被 控 变 量 不 相 等 的 非 方 系 统 , 处 理 对 象 检 测 仪 表 和 执行 器 局 部 失 效 等 的 系 统 结 构 变 化

4、, 参 数 整 定 简 单 、 综 合 控 制 质量 高 , 特 别 适 用 于 处 理 有 约 束 、 纯 滞 后 、 反 向 特 性 和 变 目 标 函数 等 工 业 对 象 。图 生 物 神 经 元 模 型神 经 网 络 概 述神 经 网 络 控 制 是 随 着 神 经 网 络 在 世 纪 年 代 中 期 的复 兴 而 发 展 起 来 的 , 是 神 经 网 络 与 自 动 控 制 相 结 合 而 形 成 的一 个 新 的 学 科 。 麦 卡 洛 克 与 皮 茨 在 世 纪 年 代 根 据 神 经细 胞 的 结 果 研 制 出 了 生 物 神 经 元 模 型 。 这 种 结 构 的 神

5、经 元接 收 和 发 送 的 信 号 都 是 的 二 进 制 数 。 输 入 信 号 与 对 应 权值 的 乘 积 的 总 和 与 一 个 特 定 的 闽 值 进 行 比 较 。 如 果 超 过 闻值 , 则 神 经 元 自 行 激 活 如 果 没 有 超 过 阐 值 , 则 神 经 元 不 传 递任 何 信 号 如 图 所 示 。神 经 网 络 的 特 点分 布 存 储 与 冗 余 性 即 一 个 事 物 的 信 息 由 很 多 神 经 元分 散 记 忆 , 而 每 一 个 神 经 元 又 存 储 着 多 个 不 同 的 信 息 。非 线 性 神 经 网 络 在 理 论 上 可 以 趋 近

6、任 何 非 线 性 函 数 ,人 工 神 经 网 络 比 其 它 方 法 建 模 更 经 济 ,在 解 决 非 线 性 控 制 问 题方 面 很 有 希 望 。并 行 处 理 神 经 网 络 具 有 高 度 平 行 的 结 构 , 其 基 本 单 元结 构 简 单 , 并 行 连 结 会 有 很 快 的 处 理 速 度 。学 习 和 自 适 应 性 利 用 系 统 过 去 的 数 据 记 录 , 神 经 网 络可 对 网 络 进 行 训 练 和 在 线 训 练 。人 工 神 经 网 络 利 用 物 理 器 件 来 模 拟 生 物 神 经 网 络 的 某 些 结构 和 功 能 , 其 神 经 元

7、 网 络 的 输 入 输 出 关 系 为 气 瓜 抓 艺 。 妙, 其 中 为 阔 值 , 风 为 连 接 权 系 数 ,八 为 激 活 函 数 。 激 活 函收 稿 日 期 一 一 一 心作 者 简 介 李 爱 梅 一 , 女 , 江 苏 南 京 人 , 硕 士 , 教 授 , 研 究 方 向 为 先 进 控 制 技 术 赵 明 生 一 , 男 , 吉 林 教 化 人 , 教 授 研 究 方 向为 先 进 控 制 技 术 与 网 络一 一数 或 传 递 函 数 是 非 线 性 递 增 的 , 允 许 引 入 一 个 阔 值 或 饱 和 值神 经 网 络 内 模 控 制 神 经 网 络 的 内

8、 模 控 制 系 统 原 理 如 图 所 示 , 从 图 中 可 以看 出 神 经 网 络 内 模 控 制 系 统 播 要 建 立 两 个 神 经 网 络 模 型 , 即内 部 模 型 正 模 型 和 控 制 器 模 型 逆 模 型, 一 枷 。 硼湘 橇 型 巨 今 效梯 度 信 息使 汤 为 最 小 来 修 正 网 络 的 加 权 系 数 和 阂 值 , 算 法 如 下武 的 州 习 一 儿 习 址 朽。 试 卜 。 ,试 无 助 以 介 知 试 双 , , 两卜 氏 小 叮 武 的毋 试 卜 二 。 试 小 松 戈 ” 以 武 切 半 叨 试 无 卜 么 两 护 禹 声以 卜 以 小 铭

9、 兀 以 武 的 。 试 以 , , ,肠式 中 犷 一 一 学 习 数 率 令 卜 一 活 化 函 数 对 的 导 数 。神 经 网 络 逆 棋 型 的 建 立 方 法因 控 制 器 是 对 象 模 型 的 逆 , 因 此 需 要 建 立 对 象 的 神 经 网络 逆 模 型 。 这 里 采 用 对 象 一 正 模 型 一 逆 系 统 学 习 法 来 建 立 神经 网 络 控 制 器 , 其 结 构 如 图 所 示 。图 神 经 网 络 内 模 控 制 原 理神 经 网 络 内 部 棋 型 的 建 立 方 法因 网 络 可 完 成 从 一 个 空 间 到 另 一 个 空 间 的 非 线 性

10、映射 , 我 们 以 网 络 为 例 说 明 神 经 网 络 内 部 模 型 的 建 立 方 法 。一 个 三 层 的 网 络 能 在 均 方 差 意 义 下 逼 近 任 何 一 个 平 方 可积 函 数 , 同 时 任 何 一 个 连 续 映 射 函 数 可 以 用 一 个 含 有 一 个 隐节 点 的 活 化 函 数 为 连 续 递 增 函 数 的 三 层 前 馈 网 络 逼 近 用 来描 述 动 态 系 统 的 神 经 网 络 模 型 有 串 并 联 模 型 和 并 联 模 型 两 类 ,其 结 构 如 图 中 图 和 所 示 。神 经 网 络控 制 器 对 像正 棋 型神 经 网 络梯

11、 度 信 息图 神 经 网 络 控 制 器 结 构设 神 经 网 络 内 模 控 制 器 的 一 般 表 示 式 为试 的 , 兀 州 粉 洲 卜 , 二 岁 戒 令 晒 , 一 , ,试 一 砂 武 习 当 采 用 三 层 网 络 来 建 立 模 型 时 , 对 于 各 层 分 别 有输 入 层一对对 象象神神 经 网 络络内内 部 棋 型型对对 象象袖 。 。们们 宝 尸 万 沪 旧旧内内 部 模 型型落 夕切 十 蕊 毛 刁申 联 模 型 井 联 模 型式 中 试 朴 一 一 内 部 模 型 输 出 误 差 , 试 无 只 无 一 儿 的 输 入节 点 数 , 尹 宁 什隐 含 层图 神

12、 经 网 络 内 部 模 型 动 态 模 型我 们 采 用 串 并 联 模 型 来 建 立 内 模 控 制 系 统 的 神 经 网 络 内部 模 型 设 被 控 对 象 为 离 散 时 间 非 线 性 系 统只 的 刀 只 无 一 , 洲 无 一 ,试 一 , ,试 一 试式 中 二 只 无 , 试 阶 次 分 别 为 , 的 输 出 输 入 时 间 序 列试 习 干 扰 噪 声 。采 样 三 层 网 络 来 建 立 系 统 的 内 部 模 型 , 对 于 网 络 各 层分 别 有 下 列 关 系 。 输 入 层、 以 艺 , 沪 试 守 岛 , , 二 ,户 吕试 爬 以 幻 , , ,输

13、出 层戒 艺 , 试 掩 卜 庆 润 一 怂 , 蓄 睿 里 , , , ,儿 粉 以 式 中 听 、 口 劝 层 与 层 神 经 元 之 间 的 连 接 加 权 系 数 岛 满 神 经 元 闭 值 。 一 隐 层 节 点 数 以 卜 一 一 激 活 函 数 。采 样 网 络 学 习 算 法 的 二 次 型 误 差 函 数 为, 二 合 沙 , 咖 , , ,式 中 脚 输 出 输 入 序 列 个 数 , 脚 , 时 脚 。隐 含 层试 二 艺 口 劫 刃 试 幻 十 凡 司 , , 一 , 、户以 习 【 以 , , ,用输 出 层 蔑 艺 , , 斌 习 氏少 减 粉 , 减 式 中 口

14、小 协 牙 一 一 层 与 层 神 经 元 之 间 的 连 接 加 权 系 数 禹 满 神 经 元 闽 值 二 用 一 隐 层 节 点 数采 样 网 络 学 习 算 法 的 二 次 型 误 差 函 数 为基 于 神 经 网 络 模 型 的 柴 油 调 和 预 测 控 制 仿 真柴 油 调 和 生 产 过 程 简 介考 虑 到 某 炼 油 厂 柴 油 调 和 生 产 工 艺 由 常 压 车 间 、 催 化 车间 、 精 制 车 间 等 装 置 来 的 常 二 线 柴 油 、 常 三 线 柴 油 、 催 化 柴 油和 精 制 柴 油 等 路 柴 油 组 分 油 自 压 入 各 自 的 组 分 雄

15、, 然 后 按一 定 的 配 方 通 过 调 节 阀 进 入 成 品 峨 进 行 调 和 生 产 柴 油 产 品 ,产 品 质 量 用 馏 程 、 酸 度 、 十 六 烷 值 表 征 , 其 值 与 组 分 油 流量 , 组 分 油 馏 程 、 酸 度 、 十 六 烷 值 有 关 。 控 制 系 统 通 过 调节 四 路 柴 油 组 分 油 流 量 实 现 控 制 产 品 质 量 指 标 的 目 的 。 工 艺流 程 如 图 所 示 。一 一图 炼 油 厂 莱 油 调 和 生 产 工 艺 流 程上 述 柴 油 调 节 过 程 为 典 型 的 多 输 入 多 输 出 系 统 被 控 变量 数 个

16、 柴 油 产 品 馏 程 、 酸 度 、 十 六 烷 值 操 作 变 量数 个 常 二 线 、 精 制 柴 油 、 催 化 柴 油 和 常 三 线 流 量 , 且 因操 纵 变 量 与 被 控 变 量 间 强 的 非 线 性 使 柴 油 调 和 合 过 程 的 优 化与 控 制 很 困 难 。柴 油 调 和 预 测 控 制 仿 真 研 究被 控 对 象 为 无 祸 合 的 离 散 时 间 非 线 性 系 统 , 其 动态 模 型 近 似 用 柴 油 调 和 静 态 模 型 瓜 附 串 联 带 有 纯 滞 后 环 节来 表 示 。 其 传 递 函 数 是夕 习 痴 , 内 为 为 , 一一 一

17、,” 一 价 , 一 专 , 里不其 中 一 广 义 对 象 纯 滞 后 时 间 界 一 一 广 义 对 象 时 间 常 数 沉 采 样 时 间 八 月 丙 试 , 丙 于 一 一 柴 油 调 和 神 经 网 络 模 型 , 描 述 柴油 产 品 质 量 指 标 和 参 与 调 和 的 各 组 合 油 流 量 的 关 系 为 挤 劝 浑 一分 别 为 各 组 分 油 的 馏 程 、 酸 度 、 十 六 烷 值 。柴 油 调 和 预 测 控 制 的 优 化 方 法 线 性 规 划 洲柴 油 调 和 生 产 中 , 参 加 调 和 的 组 分 油 具 有 不 同 的 加 工 成本 或 价 格 系

18、数 , 在 保 证 产 品 质 量 的 前 提 下 , 为 获 得 最 大 的 经 济效 益 , 应 该 尽 量 降 低 高 价 位 组 分 油 的 用 量 , 使 调 和 柴 油 的 成 本最 低 。 这 是 一 个 标 准 的 最 优 化 问 题 。 针 对 所 研 究 的 柴 油 调 和工 艺 , 本 文 提 出 如 下 数 学 公 式 来 描 述 柴 油 调 和 生 产 的 优 化目 标 函 数若 。 , 则 输 出 ,厂 八 不 停 止 , 否 则 跳 入 下 一 步 。求 卜 一 尹 广 , 榭 , 几 。 , 则 跳 入 下 一 步若 尸 匀 心 刁 贝 纽 转 入 第 步 。若

19、 酬 冰 与 , , 二 州 则 为 产 叹 。 , 转 到 第 步 。 若 有 使 ,仪 冲 , 则 叮 产 叮 分 目 无 , 求 一 叮 卜 苹 。 , 若 众 。 蕊 , , , , 求瓜 , 都 卜 勺 令 白 则 二 , 跳 到 第 步 。 着 心 杂 八 不 则 跳 到 第步 。 若 有 使 份 洲 以 , , , 。 , 则 冲 。 尸 叮 ,粉 一 城 , 若 无 万 从 新求 二 一 叮 卜 。求 尤 钻 斤 一 阮 。 税 心 习 七 。 则 工 留 比 乃 回 到 第 步 若 刀 尤尹 卜 汤 则 跳 到 下 一 步 。做 一 刀 卜 幼 吩 气 白 沐 , , , 回

20、 到 第 步 。当 时 , 内 , 声 不 落 在 一 个 一 维 或 更 低 维 的 空 间上 , 则 复 合 形 称 为 费 退 化 的 单 形 如 果 内 , 声 落 在 一 个 一维 或 更 低 维 的 空 间 上 , 不 难 看 出 该 方 案 的 迭 代 产 生 的 点 绝 不会 超 出 此 空 间 , 导 致 一 般 找 不 到 维 空 间 内 的 极 小 点 为 了防 止 迭 代 中 所 有 点 不 落 在 一 个 一 维 或 更 低 维 的 空 间 上 , 因 而我 们 取 附 , 常 常 取 。柔 性 单 极 性 函 数 圳评 价 一 个 神 经 网 络 的 主 要 性 能

21、 指 标 是 学 习 收 敛 速 度 和 泛化 能 力 。 采 用 函 数 作 为 网 络 单 元 函 数 的 多 层 前 馈 网络 是 当 今 应 用 较 多 的 一 种 网 络 。 激 活 函 数 的 使 用 分 别意 味 着 神 经 网 络 输 入 和 输 出 幅 度 的 不 同 条 件 要 求 。 这 里 定 义一 个 能 够 修 改 倾 斜 度 和 极 限 值 的 函 数 柔 性 单 极 性函 数 作 为 算 法 的 激 活 函 数 , 并 给 出 响 应 的 学 习 算 法 。一 般 的 函 数 定 义 为 沙倾 斜 度 , 考 虑 下 面 的 函 数 为 八 动 二命 。 如 果

22、 只 想 修 改一 砍砚 八 。 【 一 八 。 如 果 还 要 修 改 极 限 值 ,数 蜘 叨 叫 节它 的 导 数 为则 定 义 如 下 函艺 只 卢这 使 得 沙 一 一 刀 且 沙 一 一 声 。 如 果 要 让 函 数 值对 称 于 甲 , 选 择 邓 。 不 同 的 坡 度 和 极 值 的 函 数 形 状 如 图所 示 , 导 数 曲 线 如 图 所 示 这 样 通 过 调 整 和 尹 的 值 , 提 高了 网 络 的 学 习 收 敛 速 度 和 规 范 化 能 力 。柴 油 调 和 神 经 网 络 预 测 控 制 仿 真 结 果仿 真 对 象 采 用 式 模 拟 , 时 间 常

23、 数 和 纯 滞 后 时 间 的 取 值分 别 为 , 。 神 经 网 络 预 测 模 型 采 用 的 是的 三 层 网 络 结 构 , 其 中 输 入 层 的 个 输 入 分 别 为止 华 竺 竺 竺 二 架 州 塑 擎 竖 竺 华 竺 竺 掣 竺创 习 , 试 乃 一 声一 碑 一 ,卜 , 卜 , 价 浮 夕 , 一 户 一 口 口 一 产。 叫 , 卜 介 卜 “ 礴 , 卜 , 价心户、, 众卜么约 束 条 件, 名 蕊 式 , ,力 少 心 为 为 为 知式 中 , 、 外 少 柴 油 调 和 产 品 的 馏 程 、 酸 度 、 十 六 烷 值。 、 知 、 ” 。 柴 油 产 品

24、 馏 程 、 酸 度 、 十 六 烷 值 的 设 定 值名 参 加 调 和 的 四 路 组 分 油 的 流 量 和 一 各 组 分 油流 量 的 下 限 和 上 限 尸 各 组 分 油 的 价 格 系 数 单 位 时间 的 调 和 成 本 。柴 油 调 和 生 产 优 化 的 实 质 是 通 过 调 节 名 , 在 满 足 质 量 指标 夕 、 知 、 为 。 的 前 提 下 使 目 标 函 数 最 小 在 油 品 调 和 中 ,馏 程 、 酸 度 和 十 六 烷 值 都 是 具 有 线 性 可 加 性 的 指 标 , 因 此 这 是一 个 典 型 的 线 性 优 化 问 题 。 这 里 采

25、用 的 是 线 性 规 划 的 方 法 求解 线 性 优 化 问 题 。 下 面 把 计 算 方 案 具 体 写 出蜘 一 票 不 例 , 叙 润 一 黑 刘 , , 氛 一 青夕 。 一 动 不 “ 。 一 又 “ 下 。一 一 一 一幻图 几 种 不 同 坡 度 和 极 值 的 函 数 曲 线一 一,叭馆 程 仿 真 曲 线习习 曰 仁。 七 二 公 泣 二一 一 一曲 度 仿 真 曲 妞一 未一 一 十图 几 种 函 数 的 导 数 曲 线控 制 器 输 出 个 和 对 象 前 一 时 刻 的 输 出 个 。 即双 习 伽 一 沪 一 必 一 , , , , ,角活 化 函 数 采 用

26、柔 性 单 极 性 蒯 一 命 一 , 亦一 可 调 系 数 。最 优 控 制 律 选 用 二 次 型 性 能 指 标 , 其 表 示 形 式 如 下 打 勺 产产, 一 奇 网 一 , 十 六 烷 值 仿 真 曲 线式 中 只 无 卜 一 对 象 的 实 际 输 出 , 一 一 神 经 网 络 输 出内 部 模 型 控 制 器 是 对 象 的 逆 , 需 要 建 立 对 象 的 逆 模 型 。内 模 控 制 器 的 逆 模 型 采 用 三 层 网 络 , 应 用 对 象 一 正 模 型 一 逆系 统 学 习 方 法 来 建 立 , 网 络 结 构 为 。 其 表 示 形 式 为试 习 瓜 以

27、 卜 , 滩 一 , , 其 中 夕 丈 卜 为 输 入 设 定 值 , 试 无 为内 部 模 型 输 出 误 差 , 。 活 化 函 数 采 用 函 数 泌、 畏 二 谓 。 学 习 算 法 同 上 十 一 尸 一 一 ,二 二 一 。优 化 层 采 用 线 性 规 划 的 方 法 获 得 柴 油 调 和 优 化 问 题 式以 的 近 似 解 严 【 尸 厂 洲 份 嘿 川 门 【 , 其 中 反 馈 滤 波 器 为肋 布 塌 护 一式 中 为 设 定 值 输 入柴 油 调 和 神 经 网 络 模 型 数 据 柔 性 单 极 性 函数 的 系 数 采 用 的 是 岁 二 , 妙 ,。 各 组

28、 分 油 的 质 量 数 据如 表 所 示 。 优 化 仿 真 结 果 采 用 复 合 形 法 解 有 约 束 的 线 性最 优 化 问 题 式 , 所 得 最 优 解 如 表 所 示 。通 过 仿 真 得 到 如 图 所 示 的 结 果 。 图 中 实 线 表 示 给 定 值 ,虚 线 表 示 是 输 出 曲 线 。 图 中 因 组 分 油 中 只 有 一 组 物 料 的图 莱 油 调 和 预 浏 控 制 仿 真 曲 戏酸 度 值 超 过 , 所 以 在 酸 度 值 超 过 时 翰 出 无 法 跟 踪 输 入 。 其余 输 出 在 经 过 一 段 时 间 波 动 后 都 能 达 到 期 望

29、指 标 。 仿 真 曲 线表 明 在 价 格 最 低 的 优 化 配 方 下 , 神 经 网 络 预 测 控 制 模 型 具 有良 好 的 设 定 值 跟 踪 性 和 抗 干 扰 能 力表 姐 分 油 质 教 据馏 程程 酸 度度 十 六 烷 值值常常 二 线线精精 制 柴 油油催催 化 柴 油油常常 三 线线衰 最 优 配 方指指 标 值值 四 路 组 分 油 占 的 百 分 比比, 馏 程程 酸 度度 十 六 烷 值值 常 二 线线 精 制 柴 油油 催 化 柴 油油 常 三 线线结 束 语利 用 神 经 网 络 模 型 来 提 高 其 预 测 精 度 , 尤 其 是 对 存 在 非线 性

30、 和 不 确 定 性 的 过 程 。 神 经 网 络 模 型 的 建 立 利 用 了 对 象 的开 环 输 入 输 出 数 据 进 行 正 向 辨 识 , 神 经 网 络 模 型 预 侧 时 , 利 用实 时 输 出 信 息 进 行 校 正 , 可 以 克 服 因 实 际 对 象 中 存 在 着 时 变 、不 确 定 性 及 环 境 干 扰 等 引 起 的 模 型 失 配 的 影 响 。参 考 文 献叫 昭 , 由 洲 毗 神 经 网 络 设计 】 截 葵 ,译 北 京 机 械 工 业 出 版 社 , ,舒 迪 前 预 侧 控 制 系 统 及 其 应 用 北 京 机 械 工 业 出 版 社 ,

31、一加 山 肋 的 , 目 与 诫 工 程 应 用 赵 彦 玲 ,吴 淑 红 ,译 北 京 电 子 工 业 出 版 社 , 一李 湘 君 ,赵 英 凯 基 于 神 经 元 网 络 模 型 的 油 品 调 合 的 预 测 控 制与 优 化 中 国 人 工 智 能 学 会 中 国 人 工 智 能 进 展 北 京 北 京邮 电 大 学 出 版 社 , 王 从 岗 , 张 艳 梅 储 运 油 料 学 【 山 东 石 油 大 学 出 版 社 ,一王 洪 元 荃 于 神 经 元 网 络 模 型 的 柴 油 调 合 非 线 性 预 测 控 制 和在 线 优 化 北 工 自 动 化 及 仪 表 , 以 , 一何 小 其 气 体 分 馏 装 置 的 在 线 自 适 应 调 优 技 术 浙 江 浙 江大 学 ,【 王 洪 元 柔 性 神 经 网 络 及 其 应 用 模 式 识 别 与 人 工 智 能 , 一一 一