基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

摘要：本設(shè)計基于中小樓房管道供水系統(tǒng)，采用AT80C51單片機(jī)、壓力傳感器、變頻器、A／D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換電路等設(shè)備和元器件，結(jié)合工業(yè)智能控制技術(shù)，采用BP算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID調(diào)節(jié)器，利用自身的在線學(xué)習(xí)功能，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)連接權(quán)重，減小系統(tǒng)因變參數(shù)與非線性等因素的影響，從而提高系統(tǒng)的魯棒性，達(dá)到恒壓供水的目的。
關(guān)鍵詞：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；恒壓；供水；AT89C51；PID

    本設(shè)計是征對樓房自來水管道供水系統(tǒng)，主要研究的是基于AT89C51微處理器的壓力參數(shù)的控制和調(diào)節(jié)，也就是以AT89C51單片機(jī)為處理器，通過A／D、D／A轉(zhuǎn)換單元與電路，通過基于BP算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID調(diào)節(jié)器，從而控制變頻器，通過變頻器驅(qū)動交流電機(jī)，然后控制執(zhí)行對象齒輪泵，使得供水系統(tǒng)管道的壓力無論在用水的高峰期或者低峰期基本保持不變，達(dá)到恒壓供水目的。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
1．1 恒壓供水系統(tǒng)基本模型
    恒壓供水系統(tǒng)模型如圖1所示。該系統(tǒng)是一個單閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制的主要任務(wù)是讓供水系統(tǒng)管道的壓力等于某個固定的值，從而減少或者消除應(yīng)用水量的大小等內(nèi)部和外部因素的影響。

    單閉環(huán)控制系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡單、投資小、操作簡單，并能夠滿足一般生產(chǎn)過程的要求，所以被廣泛應(yīng)用。在控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇直接影響控制系統(tǒng)的質(zhì)量。在工業(yè)控制中通過數(shù)字改造，可以提高設(shè)計的效率，但是由于電動機(jī)參數(shù)的非線性和時變性，具體實施還是比較困難。因此考慮到以上問題的存在，對常規(guī)模擬系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，通過它具有的在線學(xué)習(xí)能力，自動調(diào)節(jié)權(quán)重系數(shù)，實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的控制。
1．2 恒壓供水系統(tǒng)的作用與功能
    該系統(tǒng)是一個基于AT89C51單片機(jī)的恒壓供水系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    主要組成單元有管道壓力檢測單元、A／D轉(zhuǎn)換單元、基于單片機(jī)的控制單元和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID調(diào)節(jié)器組成的管道壓力的變頻調(diào)速單元。具體工作過程是：給定恒壓供水系統(tǒng)的值，通過壓力傳感器獲取當(dāng)前管道的壓力值，通過A／D轉(zhuǎn)換器將模擬信號變換成數(shù)字信號，然后輸送到AT89C51和給定值進(jìn)行比較，得到偏差信號，該偏差信號通過基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法的數(shù)字PID調(diào)解后，輸出一個轉(zhuǎn)速控制信號，通過D／A轉(zhuǎn)換，控制變頻器的轉(zhuǎn)算，達(dá)到自動調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)的壓力達(dá)到一個穩(wěn)定的值。
1．3 數(shù)字式PID原理
    因在連續(xù)控制系統(tǒng)中，PID控制具有典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，同時伴隨計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在線測量速度加快，所以PID控制器被很廣泛應(yīng)用。模擬控制系統(tǒng)中，PID的控制規(guī)律為：
    
    K-比例系數(shù)；Ti-積分時間常數(shù)；Td-微分時間常數(shù)
    輸出控制量取決于輸入與輸出的偏差、偏差積分和偏差微分3個因素，對連續(xù)的PID控制算法進(jìn)行離散處理，如采樣周期T很小，則可得到離散PID表達(dá)式：
    
    式中，u(k)為控制器在K時刻的輸出，Ki=Ip／Ti，Kd=KpTd，T為采樣周期，K為采樣序號，K=1，2，…，e(k-1)和e(k)分別為第(K-1)和第K時刻所得的偏差信號。上式可以看出，想要計算u(k)，要本次與上次偏差信號e(k和e(k-1)，而且還要在積分項中把歷次偏差信號e(j)進(jìn)行相加，即求取累加信號，因此在具體實踐中需要占用很大的存儲空間，使用起來非常不方便。為了減少計算的工作量，節(jié)約存儲空間，經(jīng)常采用增量式控制算法，上式，用u(k)-u(k-1)，并進(jìn)行一些變換，可得到增量式PID控制的表達(dá)式：
    △u(k)=Kp(e(kT)-e(kT-T))+Kie(kT)+Kd(e(kT)-2e(kT-T)+e(kT-2T))
    Kp-比例系數(shù)；Ti-調(diào)節(jié)器的積分時間；Td-調(diào)節(jié)器的微分時間
    調(diào)節(jié)器改造成數(shù)字PID調(diào)節(jié)器對于工業(yè)控制過程來說，經(jīng)常系統(tǒng)屬于非線性系統(tǒng)，并且有時候系統(tǒng)的準(zhǔn)確模型是無法可知的，同時，在實際的生產(chǎn)過程當(dāng)中，經(jīng)常受到系統(tǒng)參數(shù)不穩(wěn)定等多種因素的影響，系統(tǒng)調(diào)試比較繁瑣，并且性能欠佳，因此，人們尋求能夠自學(xué)習(xí)、自整定的技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展將這種設(shè)想變成現(xiàn)實。
    神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，從而達(dá)到控制系統(tǒng)性能的最優(yōu)化，使輸出層神經(jīng)元的輸出狀態(tài)對應(yīng)于PID控制器的3個可調(diào)整參數(shù)kp，ki，kd通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)，權(quán)系數(shù)調(diào)整，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出對應(yīng)于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID控制器參數(shù)。
1．4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID調(diào)節(jié)器整定原理
    根據(jù)數(shù)字式PID的表達(dá)式可以看出，PID調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)優(yōu)就是確定比例系數(shù)kp，積分時間常數(shù)ki，微分時間常數(shù)kd，使得系統(tǒng)滿足某些性能指標(biāo)，因此，PID參數(shù)優(yōu)化問題就是(kp，ki，kd)三維參數(shù)的目標(biāo)優(yōu)化問題。
    根據(jù)系統(tǒng)需求，采用三層BP網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    為反映輸入PID控制器信號的特性，其輸入層神經(jīng)元個數(shù)選為3：x1(k)=e(k)為誤差量，，反映誤差的累計效果，類似連續(xù)系統(tǒng)中的積分效果，x3(k)=e(k)-e(k-1)，反映誤差變化快慢，相當(dāng)于連續(xù)系統(tǒng)中的微分效果。x1(k)，x2(k)和x3(k)作為輸入，能夠比較全面的反映誤差量的狀態(tài)，因此用它們來作為網(wǎng)絡(luò)輸入層的3個輸入量。輸出層輸出節(jié)點分別對應(yīng)3個可調(diào)參數(shù)kp，ki，kd，故輸出層神經(jīng)元個數(shù)為3。由于控制參數(shù)kp，ki，kd不能為負(fù)值，所以輸出層神經(jīng)元的激發(fā)函數(shù)取非負(fù)的Sigmoid函數(shù)。
    
    隱層的神經(jīng)元個數(shù)可由以下經(jīng)驗公式確定式中：n，q，m分別為輸入層、隱層和輸出層神經(jīng)元個數(shù)，由上式計算可得，n+m取值在2～3之間，并且公式中f可取1～10，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)過多會增加計算量，個數(shù)太少則不能很好地逼近給定函數(shù)，綜合考慮，此處q取5隱層神經(jīng)元的激發(fā)函數(shù)取正負(fù)對稱的Sigmoid函數(shù)。

    輸出層輸出節(jié)點分別對應(yīng)3個可調(diào)參數(shù)kp，ki，kd。
    按照梯度下降法修正網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)，即按照E(k)對權(quán)系數(shù)的負(fù)梯度方向搜索調(diào)整，并附加一個使搜索快速收斂全局極小慣性項：
    
    由此帶來的誤差影響可以通過調(diào)整學(xué)習(xí)效率來進(jìn)行補(bǔ)償。由此可以得到：
    
1．5 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)
    恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集與處理的主要任務(wù)是將檢測單元獲取的當(dāng)前供水系統(tǒng)的管內(nèi)壓力轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值，以便單片機(jī)將該電壓與給定的電壓值進(jìn)行比較，從而按照所得到的偏差進(jìn)行PID算法控制。在本系統(tǒng)設(shè)計中，對于管道內(nèi)壓力緩慢變化的信號，通過AT89C51微處理器，并利用少量的接口電路，輔助A／D轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)。
    AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含有4K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器和128的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器，器件采用AEMEL公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元，功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)簡單，同時和51系列指令兼容，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。
    A／D轉(zhuǎn)換電路采用通用的AD574，AD574，是一種快速的12位逐次比較式AD轉(zhuǎn)換芯片，片內(nèi)有時鐘，無須外加時鐘信號，電路采用單極性輸入方式，可對0～10 V或0～20 V模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位從D11～D4輸出，低4位從輸出，并且直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線連接。
    D／A轉(zhuǎn)換電路選用美國NS(National Semiconductor)公司生產(chǎn)的12位D／A轉(zhuǎn)換器DAC1208，該芯片的控制精度可以達(dá)到0．012％，使用簡單靈活。
    管道水壓傳感器可選用PT504高精度壓力變送器，該傳感器量程范圍0～100 MPa；輸出信號4～20 mA；0～5 V；1～5 V；0～10 V；采用螺紋連接，通用M20x15，接線類型為緊線螺母型，整體安裝和調(diào)試都比較方便。
1．6 其他電路設(shè)計
    其他電路的設(shè)計基本上遵循單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計，也是相當(dāng)成熟的電路，鑒于篇幅不再詳述。如要實現(xiàn)雙機(jī)或多機(jī)通訊，可以采用RS232串行通訊來實現(xiàn)。

2 結(jié)束語
    基于AT89C51單片機(jī)恒壓供水控制系統(tǒng)在樓宇給水、鍋爐給水等控制中應(yīng)用比較廣泛，在本系統(tǒng)設(shè)計中，硬件系統(tǒng)設(shè)計在力求結(jié)構(gòu)簡單，功能全面可靠的同時，充分考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，采用基于BP算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。