一种新型的神经网络pid控制器设计及其fpga实现

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1、国内图书分类号：TP183国际图书分类号：621.38工学硕士学位论文一种新型的神经网络PID控制器及其FPGA实现硕士研究生：叶金芳导师：王煜教授副导师：莫启良工程师黎淑芬工程师徐敬生工程师申请学位：工学硕士学科、专业：控制科学与工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2007年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP183U.D.C:621.38DissertationfortheMasterDegreeofEngineeringANEWNEURALNETWORKPIDCO

2、NTROLLERDESIGNANDFPGAIMPLEMENTATIONCandidate:Supervisor:Co-Supervisor:AcademicDegreeAppliedfor:Specialty:Affiliation:DateofDefence:YeJinfangWangYuEricMok，WinnieLai，WilsonTsuiMasterofEngineeringControlScienceandEngineeringShenzhenGraduateSchoolDecember,2007

3、Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要为了克服传统PID控制理论上不适用于非线性系统、多变量系统、时变系统和不确定性系统以及神经网络控制收敛速度慢、计算量大、结构不确定的弱点，我们将传统PID控制规律和神经网络控制规律相结合，提出了一种新型的更为有效的神经网络PID控制器。在本文中，我们首先将介绍这种神经网络PID控制算法，包括用于计算网络输出的前向算法，用于调整连接权重值的误差反向传播学习算法和修正后的误差反传算法。并对采用该控

4、制器的系统进行稳定性分析，给出了神经网络连接权重初值的选取方法和连接权重取初值时的等价系统。然后在MATLAB中对线性一阶及二阶系统、非线性时不变和时变系统进行网络自学习过程的仿真。仿真结果较好地验证了控制器设计的有效性。为了能将该控制器应用于实际控制系统，我们需要在硬件上对其实现。基于算法对并行性、高可靠性、高速运算的要求，我们选择FPGA作为硬件实现工具。采用自顶向下的模块化设计方法和VHDL语言编程及仿真工具，首先将UART、DCM、BlockRAM和浮点二进制数的加法器和乘法器等各模块分别实现，再将其

5、连接组合完成整个设计。然后对FPGA设计进行了仿真验证并下载到FPGA开发板中进行硬件测试。所得结果和MATLAB的计算结果进行比对，较为吻合。软件仿真和硬件实现初步验证了神经网络PID控制器设计的正确性，故本设计的研究目的和意义基本达到。关键词神经网络PID控制；MATLAB仿真；FPGA实现；浮点运算ABSTRACTToovercometheweaknessoftraditionalPIDcontrolinnon-linearortime-variablesystemsandtheweaknessofne

6、uralnetworkcontrolsuchasitsslowconvergencerate,hugecalculationworkandsoon,anewandmoreeffectiveneuralnetworkPIDcontrolmethodcomesintobeingbysynthesizingtraditionalPIDcontrolmethodandneuralnetwork.Inthisthesis,anewneuralnetworkPIDcontrollerisdesigned,simulate

7、dinsoftwareandimplementedinhardware.Firstly,aneuralnetworkPIDcontrollerisestablishedanditscontrolalgorithmisgiven,includingforwardalgorithm,errorbackpropagationlearningalgorithmandcorrectedbackpropagationalgorithm.Then,themethodofhowtoselectinitialconnectin

8、gweightsofneuralnetworkisgiven.Besides,thestabilityofneuralnetworkPIDcontrolsystemisanalyzed.Onthebaseofalgorithm,severalkindsofcontrolsystemswithsuchacontrolleraresimulatedbyMATLABandtheexcellentcontr