神经网络预测控制应用研究

论文摘要

基于神经网络的预测控制是国内外复杂工业过程控制领域中研究的前沿问题之一。本文根据预测控制的三大机理,在分析基本的预测控制算法的基础上,设计了一种新颖的基于BP神经网络模型的广义预测控制算法,并开展了神经网络预测控制在微创手术遥操作机器人系统和三容水箱系统中的应用研究。本文绪论对预测控制和神经网络产生的历史背景、发展历程、研究现状、发展趋势和存在的问题作了简要的综述,并扼要的讲述了神经网络预测控制复合控制方法的应用研究和发展方向。第二章首先针对三种典型预测控制算法讨论了预测控制的基本结构和原理,深入分析了预测控制的模型预测、反馈校正与滚动优化方法。然后通过分析三种常见的神经网络模型对神经网络控制原理进行简单的探讨。第三章在微创手术遥操作机器人系统模型的基础上,针对遥操作机器人微创手术中,由呼吸运动和心跳产生的组织周期性位移干扰设计了一种广义预测控制方案。通过MATLAB仿真实验表明,系统能在遥操作机器人系统模型下较好的消除这种由呼吸运动和心跳产生的周期性扰动。第四章以工业过程中大时延、非线性系统三容水箱为研究对象,分别进行PID算法、广义预测控制算法和神经网络预测控制算法的仿真实验,从而体现了神经网络预测控制复合控制算法在工业过程控制装置上的实用性和先进性。第五章设计了遥操作机器人系统的LabVIEW实验平台,实现实验装置的串口通信、数据采集卡以及网络通讯,并完成了主从手位置跟踪实验。在LabVIEW平台界面上,实验操作更加简便,数据观察更加直观。最后对全文进行总结,并结合自己的研究心得,指出一些可深入研究或有待解决的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 经典控制理论
• 1.1.2 现代控制理论
• 1.1.3 智能控制理论
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.2.1 预测控制
• 1.2.2 人工神经网络
• 1.2.3 神经网络预测控制
• 1.3 存在的主要问题及解决方案
• 1.3.1 预测控制及神经网络存在的问题
• 1.3.2 神经网络预测控制的研究方向
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 预测控制和神经网络的基本原理
• 2.1 预测控制的基本原理
• 2.1.1 预测控制数学基础
• 2.1.2 三种典型预测控制
• 2.2 神经网络控制原理
• 2.2.1 神经网络模型分类及功能
• 2.2.2 几种常用的神经网络学习算法
• 2.3 本章小结
• 第3章 微创手术遥操作机器人系统广义预测控制研究
• 3.1 微创手术遥操作机器人研究背景及工作原理
• 3.1.1 研究背景及问题
• 3.1.2 系统构成及工作原理
• 3.1.3 动力学模型
• 3.1.4 主从手控制器设计
• 3.2 广义预测控制 MATLAB 仿真实验
• 3.2.1 开环主从手位置跟踪实验
• 3.2.2 闭环主从手位置-力跟踪实验
• 3.2.3 实验结论
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于三容水箱的神经网络预测控制研究
• 4.1 三容水箱结构及原理
• 4.1.1 三容水箱实验装置
• 4.1.2 三容水箱数学模型
• 4.2 神经网络预测控制原理
• 4.2.1 BP 神经网络预测模型
• 4.2.2 预测控制器设计
• 4.2.3 算法步骤
• 4.3 神经网络预测控制MATLAB 仿真实验
• 4.3.1 单容水箱 PID、GPC 控制仿真
• 4.3.2 三容水箱 PID、GPC 控制仿真
• 4.3.3 基于 S-函数的GPC 控制算法
• 4.3.4 三容水箱神经网络预测控制仿真
• 4.3.5 实验结论
• 4.4 本章小结
• 第5章 遥操作机器人系统LabVIEW 实验平台
• 5.1 遥操作机器人系统结构及原理
• 5.1.1 系统硬件结构
• 5.1.2 系统工作原理
• 5.2 LabVIEW 实验平台
• 5.2.1 数据采集卡
• 5.2.2 串口通信
• 5.2.3 网络通讯
• 5.2.4 算法设计
• 5.3 LabVIEW 框图程序及实验数据
• 5.3.1 LabVIEW 框图程序
• 5.3.2 主从手位置跟踪实验数据
• 5.4 本章小结
• 结论
• 1. 工作总结
• 2. 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 详细摘要