0 引言

　　PID控制由千其算法簡單、容易實現和魯棒性好等特點，被廣泛應用于工業過程控制并取得了良好的控制效果。但當被控對象數學模型復雜，尤其對于大滯后、時變和非線性的復雜系統，常規PID控制顯得無能為力，其應用受到很大的限制和挑戰，因此，需要在傳統的PID控制上加人先進的智能控制算法，使得控制效果更為理想。神經網絡具有逼近任意連續有界非線性函數的能力，對于非線性系統和不確定性系統，是一種解決問題的有效途徑川。本文將神經網絡與常規PID控制相結合，發揮各自的優勢，形成神經元自適應PID控制器，并在PLC中設計實現。與傳統PID相比較，具有響應速度快、抗干擾能力強和超調量小等特點。

1 基于PLC的單神經元PID控制系統結構

　　控制系統采用單神經元組成的PID控制器，它具有傳統PID控制器的優點，也具有神經網絡的并行結構和學習記憶功能，并且結構簡單，易于實現I21。

　　以PLC作為控制器構成的單神經元PID控制系統如圖1所示。虛線部分為單神經元PID控制器。檢測元件將被控量實際值Y測量轉換為I-SY電壓信號或4-20mA電流信號，該模擬信號接至PLC的AI模塊，進行A1D轉換。將測量值Y與給定值;比較，通過二者的偏差e(t)進行單神經元PID算法的運算得到輸出操作信號u(t)，經PLC的AO模塊進行D/A轉換，用于驅動執行機構，實現對被控對象的控制。

2 單神經元PID控制器算法原理

　　將偏差的比例、積分和微分的三個分量作為單神經元的輸入量，就構成量單神經元PID控制器，其結構如圖1虛線部分所示。

　　圖1中，根據給定輸人信號r(k)和實際輸出信號y(k)，經狀態轉換器轉換為神經元的輸入量x₁(k),  x₂(k),  x₃(k)，即對應積分、比例和微分的三個分量

　　比較式(3)和(5)可以看出PID參數分別為K_p= Kw₂ '(k), K₁ = Kw₁'(k), K_d=Kw₃'(k)。故該神經元控制器具有PID控制器的特性，它通過對加權系數的調整來實現自適應、自組織功能，從而可以達到改善控制系統的控制性能的目的。

　　權系數的調整可以按不同的學習規則實現，在本系統中單神經元自適應PID控制器采用改進的有監督的Hebb學習規則。

3 基于SCL的單神經元PID控制算法功能塊設計

　　西門子S7系列PLC在國內工控領域中使用很廣，它的編程軟件STEP7除了支持梯形圖(LAD) ,指令表((STL)和功能塊(FDB)語言編程，還提供結構控制語言SCL (Structure Control Language)編程，SCL非常適合復雜控制算法的編程。以S7300PLC作為控制器，采用SCL語言編寫了功能塊FB3來實現單神經元PID控制算法。

　　3.1 變量聲明及初始化

　　采用SCL編寫單神經元PID算法時，先要進行變量聲明及初始化。變量包括輸人變量、輸出變量及中間變量。

根據單神經元PID控制算法，定義的輸入變量包括設定值、過程值、學習速率、權系數、神經元的比例系數以及單神經元PID控制器輸出的最大值最小值，并且在變量聲明時給出了變量數據類型和初始值。

　　輸出變量傳送當前輸出值到產生調用的塊。單神經元PID控制算法的輸出操作值即為輸出變量。

　　3.2 單神經元PID控制算法SCL編程

　　實現單神經元PID控制算法的SCL程序編程步驟如下:

　　1)計算偏差e(k);

　　2)計算神經元輸人x;(k);

　　3)計算加權系數的調整值w;(k);

　　4)對w;(k)的歸一化處理，計算可(k),

　　5)計算控制器的輸出u(k)，并進行限幅處理。

　　對SCL源程序文件進行編譯，編譯成功就生成單神經元PID功能塊FB3，并保存在S7程序中的Blocks文件夾中，可以被其他程序調用，也可以作為通用功能塊被其他用戶使用。左側為輸入參數，對應輸入變量;右側為輸出參數，對應輸出變量。在調用FB3時要對相應的參數賦實參，還需要指定一個背景數據塊。

4 單神經元PID控制器應用實例

　　采用S7300 PLC控制器，以一個典型的雙容液位過程為被控對象，以后一個容器液位為被控量，用STEP 7編寫控制程序調用功能塊FB3進行液位單神經元PID調節。

　　液位設定值為200mm，采用單神經元PID控制，設初始學習速率ηp=0.01, η1=0.001,ηD=0.01,增益K=300，加權系數初值wKp_1}.015, wKi_10.82, wKd_l}.lb，采樣周期2s。

　　采用傳統PID控制時的實時響應曲線如圖4所示。

　　由圖3和圖4可知，單神經元PID控制器超調大大減小，穩態性能也得到提高。

5 結論

　　將神經網絡與常規PID調節器控制思路相結合，產生了單神經元PID控制器，單神經元結構的連接權值與常規PID的三個參數一一對應，可以在線進行PID參數的學習。以PLC為控制器，利用SCL編程語言實現單神經元PID算法比較簡單，而且編寫的單神經元PID控制功能塊具有通用性。與傳統PID控制器比較，基于PLC的單神經元PID控制器具有自學習和自適應能力超調量和穩態誤差顯著減小，控制效果良好。