地磅廠家關(guān)于動態(tài)定量稱量包裝系統(tǒng) BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制算法
地磅廠家關(guān)于動態(tài)定量稱量包裝系統(tǒng) BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制算法
目的，針對動態(tài)定量稱量包裝控制系統(tǒng)具有大慣性、滯后、非線性且無法建立精確數(shù)學(xué)模型等缺點，研究提高動態(tài)定量稱量包裝系統(tǒng)控制精度的方法。方法 提出了一種改進(jìn)型 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 的定量稱量包裝控制系統(tǒng)，將 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與 PID 控制方法相結(jié)合，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)的調(diào)整，優(yōu)化 PID 控制器參數(shù) Ki，Kp，Kd，并將粒子群算法引入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中作為其學(xué)習(xí)算法，以有效提高 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的收斂速度。結(jié)果 仿真和實驗結(jié)果表明，改進(jìn)型 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制響應(yīng)速度快、超調(diào)量較小，系統(tǒng)稱量誤差得到大幅度減小。結(jié)論 所述控制方法可以明顯提高定量稱量控制過程的穩(wěn)定性、精確性以及魯棒性。
電子定量包裝系統(tǒng)是集機(jī)械、電氣、自動化、計算機(jī)等技術(shù)于一體的自動智能計量稱量設(shè)備，具有智能自動稱量、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，在糧食加工、食品包裝、水泥包裝、醫(yī)藥包裝等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。實現(xiàn)動態(tài)定量稱量包裝控制的關(guān)鍵是實現(xiàn)物料的精確稱量，實時準(zhǔn)確地對物料質(zhì)量進(jìn)行反饋是快速精確控制的基礎(chǔ)，而控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響著稱量包裝的精確程度。動態(tài)定量稱量包裝控制系統(tǒng)具有慣性大、滯后、非線性且無法建立精確數(shù)學(xué)模型等缺點，如果為了提高包裝效率加快稱量速度會因為物料沖擊和空中飛料等因素的存在，直接影響稱量包裝精度。如果為了提高稱量包裝精度而降低下料速度，會影響包裝效率。由此，需尋找先進(jìn)的智能控制方法，以提高整個稱量系統(tǒng)的控制精度。
目前國內(nèi)外學(xué)者針對上述問題提出了多種智能控制方法，以解決稱量速度和稱量精度二者之間存在矛盾的問題。如在文獻(xiàn)基于模糊控制理論提出了一種 Fuzzy-PID 控制方案，并進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明系統(tǒng)控制效果較理想，模糊 PID 控制雖然具有較強(qiáng)的推理能力，但存在盲區(qū)且控制精度不高；文獻(xiàn)[15]提出了一種基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 的控制方法，該方法的最大優(yōu)點是不需建立精確數(shù)學(xué)模型，但傳統(tǒng) BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法學(xué)習(xí)周期過長，具體參數(shù)值選擇較困難，收斂速度慢，從而限制了該方法在多變量的稱量系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。為此文中在 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和粒子群算法相結(jié)合（BP-PSO-PID）的稱量控制方法。
1.BP-PSO-PID 控制器結(jié)構(gòu)
由于傳統(tǒng) PID 控制時參數(shù)固定不變，對于時變性強(qiáng)、高度非線性的動態(tài)稱量系統(tǒng)，傳統(tǒng) PID 控制方法很難實現(xiàn)高精度控制，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠利用自身非線性特性，面對復(fù)雜的控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而被廣泛使用。傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的訓(xùn)練周期長，收斂速度慢，且連接權(quán)重隨機(jī)變化，致使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。針對上述問題文中在 PID 控制中引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，并選擇粒子群算法（PSO）作為控制器的訓(xùn)練算法，從而設(shè)計了一種基于 BP-PSO-PID 的定量稱量控制器。具體控制結(jié)構(gòu)見圖 1。
該控制器主要由 PID 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩部分組成， PID 控制器利用輸入和輸出之間的誤差 e、誤差變化量 de/dt,以及 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整參數(shù) Ki，Kp，Kd，得到調(diào)節(jié)器輸出 u(k)，再通過具體傳遞函數(shù)得到系統(tǒng)輸出 ysam，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制；BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)的調(diào)整，輸出控制系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù) Ki，Kp，Kd。PID 控制器采用增量式數(shù)字 PID 控制方法：
2.粒子群優(yōu)化算法
假設(shè)在一個 M 維的目標(biāo)搜索空間中，由 N 個粒子構(gòu)成種群，第 i 個粒子表示為 xi = (xi1 , xi2 xiM ) ，i =1, 2 N ，xi 可由目標(biāo)函數(shù) f(x)得到與其對應(yīng)的適應(yīng)度值 f(xi)，并根據(jù) f(xi)的大小對 xi 優(yōu)劣進(jìn)行評估。粒子 i 的飛行速度記為 vi = (vi1 , vi2 viM ) 。第 i 個粒子目前搜索到的最優(yōu)位置，即粒子的最優(yōu)解記為pI i =( pI i1 , pI i 2 pIiM ) ，整個粒子群所搜尋到的最優(yōu)位置即全局最優(yōu)解記為 p g = ( p g 1 , p g 2 pgM ) 。對粒子狀態(tài)進(jìn)行更新：
vim (k +1)= vim (k ) + c1 r1 ( k ) ( pI im ( k ) - xim ( k ))+ | (2) |
c2 r2 ( k ) ( pgm ( k ) - xim ( k )) | |
xim (k +1)= xim (k ) + vim ( k +1) | (3) |
式中： i =1, 2 N; m =1, 2 M ; vim ( k ) 為第 i 個粒
子在第 k 次迭代中的當(dāng)前位置；c1，c2 為加速系數(shù)，該系數(shù)的選擇能夠提高算法的收斂速度，避免局部出現(xiàn)極小值問題；r1，r2 為在[0,1]之間的隨機(jī)常數(shù)。
粒子群算法主要由三部分構(gòu)成：確定粒子當(dāng)前運動速度，該速度能反應(yīng)算法局部搜索能力；對自身進(jìn)行識別，從而大大提高粒子的全局搜索能力，防止算法出現(xiàn)局部極小值問題；各粒子間信息的共享處理。
3.BP-PSO-PID 控制器的實現(xiàn)
BP-PSO 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定量稱重控制器結(jié)構(gòu)見圖 2，該網(wǎng)絡(luò)中輸入層由 3 個神經(jīng)元，主要包括系統(tǒng)輸入Rref，輸出 ysam，輸入與輸出之間的誤差 e，；隱含層中由 4 個神經(jīng)元構(gòu)成，輸出層為 3 個神經(jīng)元，其輸出分別為對應(yīng)參數(shù) Ki,Kp,Kd。在上述 BP-PSO 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中通過粒子群算法更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值 wi，wo，BP-PSO控制算法步驟如下所述。
1）將 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)進(jìn)行初始化處理。
例如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點個數(shù) Nin=3, Nyin=4，Nout=3，初始網(wǎng)絡(luò)輸出值設(shè)為 0。
2）由輸入 Rref 和輸出 ysam 計算出數(shù) e(k)=Rref?ysam，從而得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入信號：
x = é R | , y | , e | ( | k | ù | (4) | |
i | ? ref | sam | )? | ||||
3）將輸入信號 xi 傳送到 BP-PSO 的輸入層中，
通過 Oin=xiwi，計算輸入層神經(jīng)元的輸出 Oin。
4）將 Oyin(i)傳送到輸出層，輸出層采用了 sigmoid 函數(shù)，其數(shù)學(xué)模型為：
Oout ( i )= | exp( k ( i )) | (5) |
exp ( k ( i ))+ exp( -k ( i )) | ||
式中：k(i)=woOyin(i)，i 為 1?Nout，Oout(i)即為 Ki，
Kp，Kd。
5）根據(jù)式（1）以及 BP-PSO 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 Ki，Kp， Kd 計算 PID 控制器中的輸出 u(k)。
6）m 個粒子開始尋優(yōu)，其中粒子的飛行位置和速度向量都設(shè)計成兩維，每個需要學(xué)習(xí)參數(shù) wo，wi列為訓(xùn)練用飛行的粒子，粒子尋優(yōu)誤差函數(shù)為：
e ( k )= | ( Rref - ysam )2 | (6) |
2 | ||
7）根據(jù)式（2）和式（3）對每一個粒子的速度和位置進(jìn)行重新更新。
8）當(dāng) K=K+1，誤差不滿足 K
9）將 wi，wo 的全局最優(yōu)值再傳送到 BP-PSO 輸
入層，按照步驟 3）—5）計算出最優(yōu)值 Oout(i)，即得到 BP-PSO 輸出的最優(yōu) 3 個參數(shù) Ki，Kp，Kd。
10）重復(fù)步驟 5），得到最優(yōu)輸出 ysam。
4.仿真與實驗
4.1仿真
為驗證所述改進(jìn)型 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制器的優(yōu)越性，首先進(jìn)行仿真實驗。假設(shè)被控對象數(shù)學(xué)模型為：
W ( k )= A( k ) Wout ( k -1)+ u ( k -1)
out 1+ Wout2 ( k -1)
式中： A ( k )= 1.2 (1 -0.8e-0.1k ) 。
控制器參數(shù)為：加速系數(shù) c1=c2=2.12；慣性因子ω=0.7；粒子數(shù) m=10；迭代次數(shù) k1=10，輸入信號采
樣數(shù)為 500。分別針對 BP-PID 控制和 BP-PSO-PID
控制進(jìn)行仿真，對應(yīng)響應(yīng)曲線見圖 3。
由仿真結(jié)果可知，與傳統(tǒng) BP-PID 控制相比，文中所述改進(jìn)型 BP-PID 控制方法響應(yīng)速度快、超調(diào)量較小，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時間大大縮短，具有很好的動態(tài)、靜態(tài)性能。這主要因為粒子群算法作為 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法，能夠克服傳統(tǒng) BP-PID 算法收斂速度慢、抗干擾能力差等缺點，為 BP-PID 控制器中的參數(shù) Ki，Kp，Kd 自適應(yīng)修正提供了有效的保障.
4.2實驗
為了驗證所述控制方法的可行性和有效性，搭建控制系統(tǒng)并進(jìn)行相關(guān)測試。分別測量不同控制方式下實際包裝質(zhì)量，即傳統(tǒng) BP-PID 控制和該 BP-PSO-PID稱量包裝控制方法。包裝質(zhì)量設(shè)定為每袋 20 kg，總共進(jìn)行了 100 次數(shù)據(jù)采集，每 10 次取平均值，實驗結(jié)果分別見表 1.由表 1 可知，BP-PID 控制下，最大相對誤差為9%。BP-PSO-PID 稱量包裝控制下，最大相對誤差為0.8%。實驗結(jié)果表明：采用改進(jìn)型 BP-PID 稱量包裝控制系統(tǒng)，稱量不確定度大幅度降低，相對誤差較小。
5.結(jié)語
自動稱量包裝系統(tǒng)在食品、化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，不過該系統(tǒng)具有強(qiáng)干擾、大滯后、非線性等缺點。為了解決此問題，提高稱量包裝系統(tǒng)的效率、精度，降低次品率，設(shè)計了一種改進(jìn)型 BP-PID 的自動稱量包裝控制策略。將 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與 PID 控制方法相結(jié)合，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)的調(diào)整，優(yōu)化 PID 控制器參數(shù) Ki，Kp，Kd。為了進(jìn)一步提高算法的收斂速度，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中引入了粒子群算法。經(jīng)仿真和實驗驗證了該控制方法和系統(tǒng)的可行性、有效性，能夠有效提高動態(tài)定量稱量包裝的速度和精度。
