專利名稱：數(shù)字式神經(jīng)網(wǎng)絡高速比例積分微分調(diào)節(jié)器的制作方法
技術領域：
中，已有的各種數(shù)字式比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器均由數(shù)/模轉換、串行運算電路和模/數(shù)轉換等電路來實現(xiàn)，一般是將控制程序以運算模塊的方式固化于存貯器中，在進行控制律運算時，由CPU調(diào)用并完成控制律的計算，其運算周期至少在幾十毫秒以上，這對于一般的過程已完全適用，但對于過程周期在幾毫秒或微秒級的高速過程就不能適用。同時由于過程本身固有特性的復雜性，目前所采用的諸如在線辨識等技術，不僅延長了運算周期，而且加大了控制系統(tǒng)設計和開發(fā)的工作量，況且常常難以奏效，無法從根本上解決問題。因此，亟待研制一種針對高速過程的PID調(diào)節(jié)器，并考慮模擬電子線路在抗干擾性方面的缺陷，故還需要所設計的高速PID調(diào)節(jié)器為數(shù)字式的，從而從根本上解決這類高速過程的自動控制問題。
神經(jīng)網(wǎng)絡控制器是近年來提出的一種基于學習的自適應控制器，大部分是采用軟件方式實現(xiàn)的，其運算周期根本無法在微秒級內(nèi)實現(xiàn)；另外，也有用硬件方式實現(xiàn)的，如采用模擬電路實現(xiàn)的豪普菲爾德(Hopfield)網(wǎng)絡，也有采用大規(guī)模集成電路或光學器件或超導等方式來實現(xiàn)的。這些或是由于模擬電路在抗干擾性和精確性方面的缺陷；或是其著眼點是放在網(wǎng)絡的自學習性質(zhì)上，用以解決普通的復雜過程的控制，而對于高速過程，目前還沒有一種簡單可靠而且適用的高速數(shù)字調(diào)節(jié)器。
本發(fā)明的目的是提供一種數(shù)字式神經(jīng)網(wǎng)絡高速PID調(diào)節(jié)器，它是借鑒于神經(jīng)生物學關于動物行為控制的有關成果，采用一種具有并行性質(zhì)的運算電路和信號轉換方式，將運算建立于信號的頻率編碼的基礎上，使轉換和運算的周期縮小了幾千倍，從而根本上解決高速過程的自動調(diào)節(jié)的問題，以適應于高速過程控制的需要。
本發(fā)明的技術方案是它包括送入測量值信號V1的壓頻轉換器VFC1后連計數(shù)器JS1又后連數(shù)據(jù)鎖定器SS1，與直接將代表設定值的電壓信號V2所對應的經(jīng)頻率編碼產(chǎn)生的脈沖序列在采樣周期的脈沖個數(shù)計算出來分別輸入數(shù)據(jù)鎖定器SS1、SS2，經(jīng)減法器JF1后連數(shù)據(jù)鎖定器SS3、SS4，同時減法器JF1經(jīng)數(shù)據(jù)鎖定器SS3后連減法器JF2，數(shù)據(jù)鎖定器SS3、SS4后連減法器JF3，減法器JF2、JF3后連減法器JF4，減法器JF4和數(shù)據(jù)鎖定器SS5后連乘法器CF1，減法器JF1和數(shù)據(jù)鎖定器SS6后連乘法器CF2，乘法器CF2和減法器JF2后連加法器A1，加法器A1和乘法器CF1后連加法器A2，加法器A2和數(shù)據(jù)鎖定器SS7后連乘法器CF3，乘法器CF3和數(shù)據(jù)鎖定器SS8后連加法器A3，加法器A3后連數(shù)模轉換器DAC，其輸出為控制作用電壓信號V3。在上述中，減法器可由加法器和原反碼選擇器連接構成，計數(shù)器JS1、JS2的復位，由時鐘信號控制，在每個采樣周期的終點，計數(shù)器JS1、JS2被復位。
對設定值V2的頻率編碼也可由壓頻轉換器VFC2和計數(shù)器JS2構成，其計數(shù)值輸入數(shù)據(jù)鎖定器SS2。數(shù)據(jù)鎖定器可以用鎖存器或寄存器或觸發(fā)器構成。
本發(fā)明與背景技術相比，具有的有益的效果是將電壓信號幅度通過壓頻轉換器表達為頻率編碼，運算的基礎是采樣周期內(nèi)的脈沖個數(shù)表達為二進數(shù)，它可大大縮短運算的周期，在微秒級實現(xiàn)PID控制律的運算，從根本上解決高速過程的自動調(diào)節(jié)問題。
下面結合附圖，通過對實施例的詳細描述，給出本發(fā)明的細節(jié)。


圖1、本發(fā)明的線路結構框圖；圖2、本發(fā)明的線路結構框圖的實施例圖；圖3、本發(fā)明實施例1的運算周期時間網(wǎng)絡計算圖；圖4、本發(fā)明的另一種實施例的線路結構框圖。
在圖1中
T1-計數(shù)器JS1復位控制信號；T2-計數(shù)器JS2復位控制信號；T3-數(shù)據(jù)器鎖定器1控制信號；T4-數(shù)據(jù)器鎖定器2控制信號；T5-數(shù)據(jù)器鎖定器3控制信號；T6-數(shù)據(jù)器鎖定器4控制信號；T7-數(shù)據(jù)器鎖定器6控制信號；T8-數(shù)據(jù)器鎖定器5控制信號；T9-數(shù)據(jù)器鎖定器8控制信號；T10-數(shù)據(jù)器鎖定器7控制信號；V1-測量信號電壓輸入； V2-設定值信號電壓輸入；P1-T/Ti參數(shù)輸入；P2-TP/T參數(shù)輸入；P3-KP參數(shù)輸入； V3-輸出控制作用電壓信號。
本發(fā)明的PID調(diào)節(jié)器增量形式為Δun＝KP[(en-en-1)+T/Ti·en+TD/T(en-2en-1+en-2)]式中Δun為第n周期的輸出控制作用增量；KP為調(diào)節(jié)器放大系數(shù)；Ti為積分時間；TD為微分時間；T為采樣周期；en為測量信號與設定值的偏差。
將上述增量形式化為位置形式un＝Δun+un-1un-是第n周期輸出控制作用。
如圖1所示，設在第n周期，測量值和設定值的電壓信號經(jīng)壓頻轉換器VFC1、VFC2轉化為脈沖信號，脈沖序列的頻率對應著電壓信號的幅值，通過計數(shù)器JS1、JS2對兩個脈沖序列在采樣周期內(nèi)計數(shù)，在數(shù)據(jù)鎖定器SS1、SS2中將兩個計數(shù)值存放，減法器JF1的輸出為兩脈沖計數(shù)的差Nn，Nn對應的是測量值與設定值的偏差en(其它Nn-1與en-1，Nn-2與en-2等的關系類同)。這時數(shù)據(jù)鎖定器SS3中的數(shù)據(jù)為上一周期的Nn-1，而數(shù)據(jù)鎖定器SS4中的數(shù)據(jù)是Nn-2，減法器JF2的輸出為(Nn-Nn-1)，減法器JF3的輸出為(Nn-1-Nn-2)，減法器JF4的輸出為(Nn-2Nn-1+Nn-2)，數(shù)據(jù)鎖定器SS5中的數(shù)據(jù)中(TD/T)，乘法器CF1的輸出是[TD/T(Nn-2Nn-1+Nn-2)]，數(shù)據(jù)鎖定器SS3中的數(shù)據(jù)是(T/Ti)，乘法器CF2的輸出是(T/Ti·Nn)，加法器A1的輸出中[(Nn-Nn-1)+T/Ti·Nn]，加法器A2的輸出是[(Nn-Nn-1)+T/Ti·Nn+TD/T(Nn-2Nn-1+Nn-2)]，數(shù)據(jù)鎖定器SS7中的數(shù)據(jù)是KP，乘法器CF3的輸出是Δun＝KP[(Nn-Nn-1)+T/Ti·Nn+TD/T(Nn-2Nn-1+Nn-2)]，Δun′對應著PID調(diào)節(jié)器增量形式中的輸出控制作用ΔNn，數(shù)據(jù)鎖定器SS8中的數(shù)據(jù)是上一周期控制作用u′n-1，因此，加法器A3的輸出是控制作用un＝Δun+un，這時的un對應著控制作用un，是以頻率編碼的，經(jīng)DAC轉化為控制作用電壓信號un輸出，送往執(zhí)行機構。其中，數(shù)據(jù)鎖定器SS5中的(TD/T)、數(shù)據(jù)鎖定器SS6中的(T/Ti)和數(shù)據(jù)鎖定器中的KP是控制器設計所輸入的參數(shù)。數(shù)據(jù)鎖定器SS8中uo(初始值)置中間值，當加法器A3的運算完成時，數(shù)據(jù)鎖定器SS3的數(shù)據(jù)刷新為un。當?shù)趎+1周期，數(shù)據(jù)鎖定器SS3的數(shù)據(jù)刷新為un，數(shù)據(jù)鎖定器SS4的數(shù)據(jù)刷新為Nn-1，減法器JF1的輸出是Nn+1。
實施例1如圖2所示，設指定采樣周期為30微秒，壓頻轉換器VFC1和VFC2采用AD650，AD650的輸入電壓范圍是0～10V，最大滿度頻率為1MHz，設測量信號是III型標準信號，它的幅度范圍是1～5V，則在30微秒內(nèi)，AD650的輸出脈沖個數(shù)為3～15個，它表達為二進制數(shù)，所有運算建立在這些二進制數(shù)形式的信號的頻率編碼的基礎上，所采用的數(shù)字芯片和它們的運算時間如附表所示，則根據(jù)圖2的線路結構圖，完成一次運算的時間，根據(jù)圖3所示的網(wǎng)絡計算為51+30+25+25+30+30+25+25+25+25+25+5+25+25+70+25+25+5+25+25+103+25+25+25+135＝859(ns)，即完成運算所需的時間為859納秒(ns)。在圖2中

表示邏輯高電平。
實施例2如圖4所示，它是在實施例1的基礎上，增加一塊以8098為核心的單片機，實現(xiàn)對調(diào)節(jié)器參數(shù)TD/T，T/Ti，KP的優(yōu)化計算，使調(diào)節(jié)的誤差累積達到最小，參數(shù)的優(yōu)化是通過若干個周期的觀測來實現(xiàn)的。這樣就可以實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)參數(shù)的自適應，而實施例1中，PID參數(shù)的整定是由人工來實現(xiàn)的。
附表






權利要求
1.一種數(shù)字式神經(jīng)網(wǎng)絡高速比例積分微分調(diào)節(jié)器，其特征是包括送入測量值電壓信號V1的壓頻轉換器VFC1后連計數(shù)器JS1，與直接將代表設定值的電壓信號V2所對應的經(jīng)頻率編碼產(chǎn)生的脈沖序列在采樣周期的脈沖個數(shù)計算出來分別輸入數(shù)據(jù)鎖定器SS1、SS2，經(jīng)減法器JF1后連數(shù)據(jù)鎖定器SS3、SS4，同時減法器JF1與數(shù)據(jù)鎖定器SS3后連減法器JF2，數(shù)據(jù)鎖定器SS3、SS4后連減法器JF3，減法器JF2、JF3后連減法器JF4，減法器JF4和數(shù)據(jù)鎖定器SS5后連乘法器CF1，減法器JF1和數(shù)據(jù)鎖定器SS6后連乘法器CF2，乘法器CF2和減法器JF2后連加法器A1，加法器A1和乘法器CF1后連加法器A2，加法器A2和數(shù)據(jù)鎖定器SS7后連乘法器CF3，乘法器CF3和數(shù)據(jù)鎖定器SS8后連加法器A3，加法器A3后連數(shù)模轉換器DAC，其輸出為控制作用電壓信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的調(diào)節(jié)器，其特征是對設定值的頻率編碼可由壓頻轉換器VFC2和計數(shù)器JS2構成，其計數(shù)值輸入數(shù)據(jù)鎖定器SS2。
3.根據(jù)權利要求1所述的調(diào)節(jié)器，其特征是數(shù)據(jù)鎖定器可以用鎖存器、寄存器、觸發(fā)器構成。
全文摘要
一種數(shù)字式神經(jīng)網(wǎng)絡高速比例積分微分調(diào)節(jié)器，是由壓頻轉換器VFC
文檔編號G05B13/02GK1108397SQ9410868
公開日1995年9月13日 申請日期1994年9月10日 優(yōu)先權日1994年9月10日
發(fā)明者鮑立威, 何敏 申請人:浙江大學