神经网络PID控制在恒温恒液位系统中的应用
控 制 系统
神经网络 PID控制在恒温恒液位 系统中的应用
Application of Neural network P|D Controller in Constant Temperature and Constant Liquid—
level System
陈国初 张 琳 郝 宁眉 刘 先广 王君 红
Chen，Guochu Zhang，Lin Hao，Ninmei Liu，Xianguang W ang，Junhong
摘 要 ：本 文 讨 论 了基 于神 经 网络 理 论 的 PID 控 制 ，并 将 其 应
用 于 恒 温 恒 液 位 控 制 系 统 ，利 用 神 经 网 络 的 自学 习能 力 在
线 整 定 控 制 器 参 数 。 试 验 结 果 表 明 神 经 网 络 PID 控 制 器 具
有 较 高 的 精 度 和 较 强 的 适 应 性 ，可 以 获 得 满 意 的 控 制 效 果 。
关 键 词 ：恒 温 恒 液 位 系 统 神 经 网 络 PID 控 制 器
ABSTRACT ： Guided by the principle of neural network， an
intelligence PID controller based on neural network is devised
and applied to control of constant temperature and constant liq—
uid—level system ． The experiment results show that this con—
troller has high accuracy and strong robustness and good charac—
ter$．
K EYW O RDS： Constant tem perature and cons tant liquid——
level syste m ， Neural network， PID Controller
引 言
在 工 业 生 产 过程 中 ，有 很 多地 方 需 要 对密 闭容 器 内 的介 质
(如 水 )进 行 温 度 和液 位 控 制 ，使 之 高 精 度地 保 持 在 给 定 的 数值 。
虽 然 常 规 PID控 制 应 用 十 分广 泛 ．但 其 控 制 性 能在 很大 程 度 上
依 赖 于 PID控 制 器 参 数整 定 的好 坏 。当控 制 精度 要 求 较 高 时 ，常
规 PID控 制 就 难 以满 足要 求 。本 文利 用 神 经 网络 的 自学 习特 性 ，
用 神 经 网络 模 拟 PID控制 器 的结 构 ．并将 其 应 用 于恒 温 恒 液 位
控 制 系 统 ，通 过 学 习算 法 ，在 线 调 整 网络 权 值 ，实 现 控 制 器 参 数
的在 线 自整 定 ，以 提 高 控 制 精 度 ，增 强控 制 器 的适 应 性 ，取 得 满
意 的控 制 效 果 。
1 神 经 网络 PⅢ 控 制器
1．1 神 经 网 络 PID控 制 器 结 构
将 神 经 网络 用 作 控 制器 取 代 常 规 PID控 制 器 。其 目的是 使
系 统 的输 出 与希 望 值 的误 差最 小 。PID 离散 方 程 的增 量形 式 为 ：
△Ⅳ( )=kp【P(t)一e(k一1)】+ ，P(t)+ D【P( )一2e(k一1)+P(t一2)】 (1)
其 中 -Kp， ，KD分 别 为 比例 、积 分 、微 分 系 数 ；e(k1为 当前 时
刻 的 控 制 系 统 实 际 输 出 和 希 望 值 间 的偏 差 ；u(1【)为 当 前 时 刻 的
控制 器 输 出值 ，即 控 制 率 。
根 据 式 (1)，构 造 神 经 网络 PID控 制 器 ，如 图 1所 示 ：
1 )
2 )
3 )
图 1 神 经 网络 PID 控 制 器 结 构 图
图 1中控 制 器 输 入取 为 ：
l(七)=P(七)一e(k一1) (2)
X2( )=e(k) (3)
X3(t)= )一2e(k一1)+P( 一2) (4)
控 制 器 输 入层 和 输 出层 神 经 元传 递 函 数均 取 线 性 函数 ．即：
y=x (5)
则控 制 器 输 出 为 ：
△ (七)=Xl(七) (七)+ 2( ) ( )+ 3( ) (七) (6)
其 中 ：w 。(K)，Wa(K)，W3(K)，为控 制器 神 经 元 的 权值 。
建 立 神 经 网 络 PID 控 制 器 的计 算 机 控 制 系 统 如 图 2所 示 ．
图 2中 ye(k)为被 控 对 象 期 望输 出 ，y k)为 系统 实 际 输 出 。 转 换 函
数 把 偏 差 信 号 e(1【)转 换 为 神 经 网络 控 制 器 的 输 入 量 ，网络 的输
出 u(k)作 为 系统 的控 制 信 号 。
E(k)
ye (k)
图 2神 经 网 络 控 制 系 统 方 框 图
1．2神 经 网络 PID控制 器算 法
令 控 制 系 统 的误 差 函 数 为 ：
￡(七)=【 (七)一Y，( )】 ／2 (7)
用梯 度 法进 行 优 化 ，可得 神 经 网络 PID控 制 器 权 值 的 修 正
公式 ：
+1) +1)】．础 )· (8)
!p为学习率，一般取(0，1)之间的数。 可利 用差分来近~似／i,i水=4a．耿ira-,： ～
ayf(七+1) Y，( +1)一y／(k)
两 (9)
本 文 中 ，为 了 使神 经 网络 PID 控制 器 具 有 常 规 PID控 制器
的优 点 ，神 经 网络 PID控 制 器 初 始 权值 的选 取 参 照 常规 PID控
制 器 参 数 选取 的方 法 来确 定 。控 制 过 程 中 ，根 据 误 差 在 线修 正权
值 直 到神 经 网络 PID控 制器 有 最 佳 参 数 ，使 系 统 的 实 际输 出与
希 望 输 出 间 的误 差 最 小 。 ’
2 恒温 恒 液位 系统
试验 中 ，以 一 要求 高 精 度 地保 持 罐 内温 度和 液 位 恒 定 的冷
热 水 混 合 罐作 为控 制 对 象 。冷 水 和 热 水 分别 通 过 调 节 阀 1和 调
节 阀 2进 入 水 罐 ，冷 热 水 混 合 后通 过 出水 阀 3给 下 一环 节 提 供
恒 温 恒 压 用水 。系 统 通 过 调节 阀 1保 持水 罐 内水 温恒 定 ．通 过调
节 阀 2保 持 水 罐 内液 位 恒 定 ，以使 出 水 压 力恒 定 。系 统 原 理 图如
图 3所 示 。图 中 ，Q。为冷 水 流 量 ，Q 为热 水流 量 ，Q，为 出水 流 量 ；
T】为 冷水 温 度 ，T2为热 水 温 度 ，T为 罐 内水 温 ；H为 罐 内液 位 ．u_
为冷 水 调 节 阀控 制 率 ，U2为 热水 调 节 阀控 制 率
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控制系统
好 ．用户 使 用 起 来 简 单 方 便 。
2-3工 艺 规划
在 绘 图 的 过 程 中 ，由于绘 图顺 序 的 随意 性 ，图形 中 各 实 体 的
顺序 并 不是 连 续 的 ．而 是 按 其 输入 (绘 图 )jll~序 存 放 的 ，与 加 工 顺
序 无关 。 由于 玻 璃雕 刻过 程 中 ，不 允许 磨 轮 做跳 跃加 工 ，故 各 实
体 必须 按 磨 轮 雕 刻 的 加 工顺 序 重 新 排 序 ，使 得 加 工 实 体 按 轨 迹
加 工 方 向首 一尾 一首一尾 地相 连 ．形成 加 工 闭环 。特 别是 对 由各 种
线 条 (包 括直 线 、圆弧 等 )组成 的平 滑 曲线 ，还 必 须 按 照 刀 路 轨 迹
一 次抬 刀 、落 刀 而 完 成 。以保 证 产 品 的 加 工精 度 和 表 面 粗 糙度 。
由于 玻 璃 图 样 的 加 工 至少 需 要 两 道 工序 ：磨 削 和抛 光 。有 时
根 据情 况 需 要 还 必 须 进 行 多次 磨 削 和 若 干 次 抛光 。系 统 必 须 对
雕 刻工 艺 合 理 规 划 。 用户 在 屏 幕 中 建 立 玻璃 图案 的加 工 轮 廓 图
形 后 ．通 过 交 互 方式 输 入 起 点 坐 标 或用 鼠标 选 定 零 件 轮 廓 实 体
上 的某 一 点作 为 加 工 进 刀 点 ．再 通 过 参 数对 话 框 完 成 各 工 序 工
艺 参 数 的输 入 ．如 切 削 深度 、磨 轮 直 径 、主 轴 转 速 、进 给 速 度 等 。
其 中刀 具信 息 可 从 刀 库 中 直接 选 取 。输 入 有 关 参 数 后 ．系 统 根 据
输 入 的进 刀 点 ，找 出 图形 实 体 中离 进 刀 点最 近 的 端 点 作 为 加 工
起 点 。然 后 根 据 输 入 图形 的几 何 信 息 、加 工信 息 ，确 定 加 工 方 向
的 顺 、逆 。再 按 照 加 工 起 点 和 加 工 方 向重 新 排 序 ．同时 加 入 切 入
线 和 引 出线 ，形 成 加工 路 线 。以便 为走 刀模 拟 和 最 终 生 成 NC代
码 做准 备 。
2-4数 控 编程
经 过 工 艺 干 预 确 定 走 刀 路 线 后 ，输 入 编 程 参数 (如 ：玻 璃 尺
寸 、工 件 位 置 、机 床参 考 点位 置 、刀 架号 分 配 以及 控制 液 、气 路 的
M 代 码 的设 置 等 )，选 择编 程 方 式 ，再 根 据 图 形 实 体 的几 何 信 息 ．
对 加 工路 线 进 行 处 理 ，结 合 工 艺规 划 生 成 的 加 工 工 艺信 息 ．系 统
快 速 自动 生成 数 控 装 置 能接 受 的数 控 指 令 。 为 了保 证 由各 种 线
条 (包 括 直 线 、圆 弧等 )组 成 的平 滑 曲线 的 一 次抬 刀 、落 刀 之 连 续
加 工 ，编 程 过 程 中必 须考 虑 X、Yl、Y2、Z、C五轴 联 动 的要 求 ．并
进 行 X、Y、Z、C联 动插 补 。对 抛 光 加 工 工 序 ．还 要 考 虑 抛 光 轮 动
态 补 偿 、刀 具 寿 命 即 时更 新 的 要 求 。生 成 的 数控 指 令 以文 本 文 件
的 形式 保 存 ，具有 G、M 、F、S、T代 码 处 理 功 能 和 EIA或 ISO 两 种
输 出 格 式 。 自动 编 程运 行 的结 果 ．可 以满足 加 工 工序 自动 控 制 、
刀 具 自动更 换 、抛 光 轮 磨 损 超 差 自动报 警 、刀 具寿 命 动 态 更 额 等
要 求 。实 现 磨 削 、抛 光 自动 循 环 加 工 。
2．5走 刀 模 拟
数 控 加 工过 程 是 数 控 玻 璃 雕 刻 机 在 NC代 码 驱 动 下 带 动 刀
具 (磨 轮 )对 真 空 吸 附 在 工 作 台上 的 玻 璃 进 行 磨 削 加 工 的 过 程
为 了检 查 NC代 码 的正 确 性 以及 使 用 户 了解 加 工 过 程 ．可通 过
在 屏 幕 中模 拟 刀 具 的 走 刀 路线 ，进 行 仿真 加 工 ，以便 及 时 发 现 和
修 改 NC代 码 中有 问题 的 地 方 ，提 高编 程 效 率 。 同时 ，同 步 显 示
加 工状 态 ，并 统计 加 工 时 间
2．6代 码 文 件 管理
用户 可 将 己生 成 的 NC代码 显示 (预 览 )或 存盘 NC代码 。同
时 ，为 了便 于 修 改 NC程 序 ，用 户 还 可利 用 编 辑 功 能 ．根 据 自己
的 需 要 对 生 成 的 NC 的程 序 进 行 修 改 、增 删 。因 此 ，系统 更 具 开
放 性 。
2．7通 讯
通 讯 模 块 实 现 对 生 成 的 NC程 序 的传 送 。NC代 码 生 成 后 ．
通 常 采 用手 工直 接 输 入 或 穿空 纸 带 等 方 式输 入 数 控 机 床 的 控 制
系 统 。 由于 人 工操 作 中很 容 易 出错 ，特 别 是 玻 璃 加 工 图 案 复 杂
时 。因此 采用 联 机 通 讯 的 方 法 ，由串 行通 讯 程 序 经 串行 口将 数 控
指 令在 线 传 送 到 数控 机 床 的数 控 装 置 中 ；也 可 采 用 软盘 复制 的
方 法 ，通 过 软 驱 离 线 将 NC代 码 复 制 到 数 控 装 置 中 。以 实现 玻 璃
图 案全 自动 循 环 加 工 。使 CAD／CAM 有 效地 集 成 在 一 起 。
2．8帮助 系统 和 网 络 接 口模 块
任 何 一 个 完 整 的 软件 系 统 ，都 必 须 包含 详细 的文 档 资 料 。以
便用 户 随 时 得 到 相 关 帮助 。帮 助 文档 包括 ：系 统配 置 要求 、安 装
环境 、程 序 使 用 教 程 、各 功 能 模 块 作 用 、工 具 条 菜 单 项 对 话 框 的
操 作 、机 床 参数 出厂 设 置 、注 意 事 项 、疑 难 解 答 等 等 。
通 过 网络 接 口这个 可 选 功 能 模 块 ．用 户 可 方 便 快 速 地 访 问
生 产 厂 家 网 站 ．在 线 动 态 更 新 玻 璃 图 案 式 样 库 ．获 得 技 术 支 持 、
软件 注 册 、下载 和 升 级 服 务 等 。 安装 我 们 另行 开 发 的 “网 络 屏幕
和 语 音 的 实 时传 送 ”模 块 还 可 对 系统 进 行故 障 诊 断 及 远 程监 控 。
3结束 语
本文 介 绍 的数 控 玻 璃 雕 刻 CAD／CAM 系 统 。能 对 玻璃 制 品
上 的 复 杂 图案 加 工 进 行 快速 自动 编 程 ．从 根本 上 解 决 了人 工 编
程 的 困难 ，大 大缩 短 了编 程 时 间 。而 且 图形 越 复 杂 ，效 率越 高 。
系统 集绘 图和 编程 于一 体 ，将 所 有 模 块 集 成 一 个环 境 中 ．运
行速 度快 ，用 户 界面 友好 ，使 用 方 便 。 实现 了 CAD 与 CAM 的 有
机 结 合 。
本系 统 已在 生 产 实 践 中得 到 成 功 应 用 。显 著 地 提 高 了生 产
效 率 ，收 到 了 良好效 果 。而 且 系 统操 作 简 便 ，运 行 可 靠 ．用 户 反 映
良好 。
参考文献：
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作 者 简 介 ：刘 其 洪 ，男 ，1966年 7月 生 ，籍 贯 江 西 南 康 ，讲 师 ．硕
士 ， 主 要 从 事 CAD／CAM、CAI教 学 科 研 工 作 。 联 系 电 话 ：
1366()oI5883O，O20—83567lO2 (H)，Emaih LiuLihon@163．net或
SpLiuLihon@ sohu．corn
通 信 地 址 ：
(5lo64l 广 州 华 南 理 工 大 学 机 械 工 程 学 院 现 代 制 造 研 究
所 )刘 其 洪
暑 假 期 间 ：
【510045 广 州 市 小 北 路 蟹 岗 道 35号 505房 )刘 其 洪
(收 稿 日期 ：2002．8．10)
(接第 22页 )
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[5]钟庆 昌等．变参数 PID控 制器 [J]．信息 与控 制 ，1999，(28)：P272—
277．
作 者 简 介 ：陈 国初 (1971一)，男 (汉 族 )，江 西 都 昌 人 ，硕 士 ，讲 师 ．
主 要 研 究方 向 为人 工 智 能及 其 应 用 。 电话 ：0546—8391160(家 )、
0546—8392319(教 研 室 )
(257061 山 东 东 营 石 油 大 学 信 息 与 控 制 工 程 学 院 ) 陈 国 初
郝 宁 眉 刘 先 广
(710049 陕 西 西 安 西 安 交 通 大 学 电 气 工 程 系 )张 琳
(255411 山 东 淄 博 齐 鲁 石 化 塑 料 厂 仪 表 车 间)王 君 红
(收 稿 日 期 ：2002．7．15)
Fax) 中国 自控 网：http：／／www．itcontro1．cn
邮局 订 阅号 ：82-946 120元 ，牟一 29 —
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