神经网络pid控制器MATLAB,BP神经网络PID控制器的Simulink 仿真模型搭建教程

神经网络PID控制器是一种基于神经网络技术的控制器，可以用于控制各种工业过程和系统，具有较好的鲁棒性和适应性。本文将介绍如何使用MATLAB和Simulink搭建BP神经网络PID控制器的仿真模型。

1. BP神经网络PID控制器的原理

BP神经网络PID控制器是一种基于误差反向传播算法的神经网络控制器，其控制器结构如下图所示：


其中，$u(k)$表示控制器输出，$e(k)$表示控制器输入的误差信号，$y(k)$表示被控对象的输出，$r(k)$表示控制器的参考输入，$P$、$I$、$D$分别表示PID控制器中的比例、积分、微分三个部分，$W_{1}$、$W_{2}$、$W_{3}$分别表示BP神经网络中三层之间的权重。

BP神经网络PID控制器的控制过程如下：

（1）将参考输入$r(k)$和被控对象输出$y(k)$输入到误差计算器中，计算出误差信号$e(k)$；

（2）将误差信号$e(k)$输入到BP神经网络中，进行训练，得到控制器的输出$u(k)$；

（3）将控制器输出$u(k)$输入到被控对象中，获取被控对象的输出$y(k+1)$。

（4）重复执行1-3步，直到系统达到稳态。

2. BP神经网络PID控制器的MATLAB代码实现

以下是BP神经网络PID控制器的MATLAB代码实现：

clear;
clc;

% 定义被控对象的传递函数
sys = tf([1],[1,2,1]);

% 定义PID控制器的比例、积分、微分系数
Kp = 1.2;
Ki = 1.0;
Kd = 0.5;

% 定义BP神经网络的输入、输出、隐含层节点数
input_num = 3;
hidden_num = 10;
output_num = 1;

% 初始化BP神经网络的权重和偏差
W1 = rand(hidden_num,input_num+1);
W2 = rand(output_num,hidden_num+1);
B1 = rand(hidden_num,1);
B2 = rand(output_num,1);

% 定义BP神经网络的训练参数
max_epoch = 1000;
lr = 0.1;
mse_goal = 1e-5;

% 定义系统初始状态
x0 = [0;0];

% 定义系统参考信号
ref = ones(1,500);

% 定义控制器输出、被控对象输出、误差信号
u = zeros(1,500);
y = zeros(1,500);
e = zeros(1,500);

% 循环执行控制过程
for k = 1:500
    % 计算误差信号
    e(k) = ref(k) - y(k);
    
    % 计算PID控制器输出
    P = Kp * e(k);
    I = Ki * sum(e(1:k));
    D = Kd * (e(k) - e(k-1));
    u(k) = P + I + D;
    
    % 计算BP神经网络输出
    input = [e(k);u(k);y(k)];
    hidden = logsig(W1 * [input;1] + B1);
    output = W2 * [hidden;1] + B2;
    y(k+1) = output;
    
    % 更新BP神经网络权重和偏差
    delta2 = y(k+1) - y(k);
    delta1 = (W2(:,1:end-1)' * delta2) .* hidden .* (1-hidden);
    W2 = W2 + lr * delta2 * [hidden;1]';
    W1 = W1 + lr * delta1 * [input;1]';
    B2 = B2 + lr * delta2;
    B1 = B1 + lr * delta1;
    
    % 判断系统是否达到稳态
    if abs(e(k)) < mse_goal
        break;
    end
end

% 绘制控制结果图像
t = 0:499;
figure;
plot(t,ref(1:500),'r',t,y(1:500),'b');
xlabel('Time Step');
ylabel('Output');
legend('Reference','Output');

3. BP神经网络PID控制器的Simulink仿真模型搭建

以下是BP神经网络PID控制器的Simulink仿真模型搭建步骤：

（1）打开Simulink软件，创建一个新的模型文件；

（2）在模型文件中添加被控对象模块和PID控制器模块，分别对应MATLAB代码中的sys和PID控制器部分；

（3）在模型文件中添加BP神经网络模块，用于训练神经网络并计算控制器输出；

（4）将被控对象模块、PID控制器模块、BP神经网络模块按照上述图示连接起来；

（5）运行模型文件，得到控制器的输出结果。

以下是BP神经网络PID控制器的Simulink仿真模型搭建图示：


4. 总结

本文介绍了如何使用MATLAB和Simulink搭建BP神经网络PID控制器的仿真模型。通过这种方法，可以快速地设计和实现各种复杂的控制器，提高工程师的工作效率和控制系统的性能。