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關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)控制器;通信協(xié)議;Rabbit2000單片機(jī);套接字;串口通信
中圖分類號(hào):TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
文章編號(hào):1004373X(2008)0105403オ
Communication Technology of Jia-xiao-tong Network Controller
WEI Zi,YANG Qingjiang,ZHANG Guanglu
(Heilongjiang Institute of Science and Technology,Harbin,150027,China)
オ
Abstract:For the function demand of the network controller in Jia-xiao-tong system,the paper proposes a communication technology of combining serial-port with network.Firstly,it describes the network controller′s hardware platform and the application-layer protocol based on TCP/IP protocol stack.Then,it mainly discusses the communication network technology and the communication serial technology.The polling scheme is applied to improve data transfer effectiveness and reduce data collision.Finally,it explains and analyzes the communication technology′s feasibility and stability through filed test data.
Keywords:network controller;communication protocol;Rabbit2000 single chip;socket;serial communication
オ
1 引 言
隨著TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)通信的出現(xiàn),將串口通信與網(wǎng)絡(luò)通信相結(jié)合的趨勢越來越明顯,這是保護(hù)使用者既往投資和整體利益的一種有效辦法。本文所討論的通信技術(shù)就是將串口與網(wǎng)絡(luò)通信相結(jié)合并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果的一種通信解決方案。
“家校通”是利用現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭與學(xué)校實(shí)時(shí)溝通的教育網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),其組成部分為:家?;ヂ?lián)卡、讀卡器、無線網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)控制器、短信發(fā)射接收機(jī)。網(wǎng)絡(luò)控制器的主要功能是通過無線網(wǎng)關(guān)從讀卡器獲取信息,并與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信,是家校通系統(tǒng)的核心。
2 網(wǎng)絡(luò)控制器的硬件平臺(tái)
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制器的功能要求,考慮整體的性能、價(jià)格方面,CPU采用Rabbit2000單片機(jī),他是Z-World公司特別為中小型控制器而設(shè)計(jì)的高性能8位微處理器。編譯環(huán)境為Dynamic C,提供Socket級(jí)TCP/IP編程。網(wǎng)絡(luò)控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3 應(yīng)用層通信協(xié)議
3.1 網(wǎng)絡(luò)控制器與讀卡器的串口通信協(xié)議
網(wǎng)絡(luò)控制器與讀卡器的通信主要通過異步串行RS 485接口,基于通用串行通信RS 485數(shù)據(jù)傳輸單元(字節(jié)格式)有不帶校驗(yàn)位的10 b和帶奇偶校驗(yàn)位的11 b兩種數(shù)據(jù)格式。為了提高數(shù)據(jù)傳送的效率和可靠性,采用無奇偶校驗(yàn)位的10 b數(shù)據(jù)格式,并由BBC校驗(yàn)生成校驗(yàn)碼與數(shù)據(jù)一起發(fā)送。
開始標(biāo)志讀卡器地址信息長度命令和參數(shù)校驗(yàn)
2 B1 B2 B14 B1 B
(3)命令字:
A1:從讀卡器讀取一條記錄。
A2:控制器正確接收記錄信息后,返回更新記錄的讀地址命令,使地址指針指向下一條記錄。
A4:設(shè)置校正讀卡器時(shí)間。
A6:測試控制器與讀卡是否正常通信。
3.2 網(wǎng)絡(luò)控制器與服務(wù)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議
網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通常分不同的層次進(jìn)行開發(fā),每一層分別負(fù)責(zé)不同的通信功能。TCP/IP通常是一個(gè)4層協(xié)議,包括數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層(含IP協(xié)議)、傳輸層(含TCP協(xié)議)和應(yīng)用層。本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是基于TCP/IP協(xié)議之上的應(yīng)用層協(xié)議,采用請(qǐng)求應(yīng)答的通信模式??紤]到協(xié)議的可靠性和實(shí)現(xiàn)的方便性,數(shù)據(jù)采用ASCII碼表示。
(1)報(bào)文組成
4 通信技術(shù)
控制器建立socket連接后,向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求和數(shù)據(jù)傳輸,并實(shí)時(shí)判斷連接的有效性,在有效連接的狀態(tài)下,實(shí)現(xiàn)控制器、服務(wù)器、讀卡器三者的正常通訊,程序流程如圖2所示。
4.1 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
socket初始化: 首先要對(duì)RTL8019AS的控制寄存器進(jìn)行初始化配置,Dynamic C已將這部分配置封裝成函數(shù)放入REALTEK.LIB庫中,應(yīng)用時(shí)只需調(diào)用相關(guān)函數(shù)。之后再調(diào)用函數(shù)庫dcrtcp.lib中的幾個(gè)簡單函數(shù)可完成socket的初始化,以下是程序的主體框架。
#define TCPCONFIG1
#memmapxmem
#usedcrtcp.lib
main()
{
sock[CD#*2]init( );
while(ifpending(IF[CD#*2]DEFAULT)==IP[CD#*2]COMING[CD#*2]UP)
tcp[CD#*2]tick(NULL);
tcp[CD#*2]open(&socket,0,destIP,sockport,null);
…… ……
}
在建立TCP的連接中,Dynamic C有兩種方法打開TCP socket:一種是被動(dòng)的方式,調(diào)用函數(shù)tcp[CD#*2]listen(),等待客戶端進(jìn)行連接;一種是主動(dòng)的方式,調(diào)用函數(shù)tcp[CD#*2]open(),根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)(IP地址和端口號(hào))主動(dòng)連接到服務(wù)器端。本通信技術(shù)采用的就是主動(dòng)方式(作為客戶端)。
Socket數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收:數(shù)據(jù)發(fā)送調(diào)用sock[CD#*2]write(&socket,str[CD#*2]send,str[CD#*2]send[CD#*2]len)。在讀取socket緩沖區(qū)數(shù)時(shí),先判斷緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù),有數(shù)據(jù)再進(jìn)行讀操用,同時(shí)有超時(shí)設(shè)置。
start[CD#*2]time=SEC[CD#*2]TIMER;
/*SEC[CD#*2]TIMER為秒級(jí)系統(tǒng)時(shí)間*/
end[CD#*2]time=start[CD#*2]time;
while((end[CD#*2]time
!recv[CD#*2]count)/*READ[CD#*2]TIME為設(shè)定的等待時(shí)間*/
{
str[CD#*2]recvbuf[CD#*2]len=sock[CD#*2]bytesready(&socket);
/*判斷socket讀緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)*/
if(str[CD#*2]recvbuf[CD#*2]len>0)
recv[CD#*2]count=sock[CD#*2]read(&socket,str[CD#*2]recvbuf,
str[CD#*2]recvbuf[CD#*2]len); /*讀socket*/
}
if(revc[CD#*2]count)
{…… ……}
/*拆分接收到的命令字,讀取有效信息*/
else
break;
4.2 串口通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
主要包含3個(gè)步驟:命令字的組合,設(shè)置串口D,通過設(shè)置Rabbit2000的PE3來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。以A6命令為例,程序主體框架如下:
command[0]=0xA6;/*A6命令*/
create[CD#*2]command(addr,command,pack);
/*組合命令字*/
serDopen(9600);/*9600為波特率*/
send[CD#*2]command(command,returnlen);/*發(fā)送數(shù)據(jù)*/
read[CD#*2]command(readbuf,sizeof(readbuf),10);
/*接收數(shù)據(jù)*/
void send[CD#*2]command(char *pack,int len)
{
int i;
WrPortI(PEDR,& PEDRShadow,0x08);
WrPortI(PEB3R,NULL,0);
for(i=0;i
serDputc(pack[i]);
}
int read[CD#*2]command(char *buf,int len,int time)
{
int i[CD#*2]return;
WrPortI(PEB3R,NULL,1
i[CD#*2]return=serDread(buf,len,time);
return i[CD#*2]return;
}
5 數(shù)據(jù)采集與分析
網(wǎng)絡(luò)控制器聯(lián)網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),向服務(wù)器發(fā)送的一包測試記錄數(shù)據(jù)為:
對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析:0244為數(shù)據(jù)包的總長度,01為協(xié)議版本號(hào),02為命令字,000003為序列號(hào),21000102*****為設(shè)備號(hào),09為數(shù)據(jù)包中的刷卡記錄總數(shù),0080D122為測試卡號(hào),07070414152715為刷卡時(shí)間(順序?yàn)槟曛茉氯諘r(shí)分秒),03為狀態(tài)。
采集從服務(wù)器返回的命令:001501020000031,其中
列號(hào),1為正確接收。返回命令格式符合協(xié)議要求,內(nèi)容正確。
網(wǎng)絡(luò)控制器向讀卡器發(fā)送的命令(以A6為例): aa ff 01 00 03 a6 41 41 f1,其中aa ff表示本命令為控制器發(fā)給讀卡器,01為讀卡器地址,00 03為數(shù)據(jù)長度,a6為命令字,41 41為測試數(shù)據(jù),f1為校驗(yàn)位。
采集從讀卡器返回的命令:bb ff 01 00 02 41 41 47 d1 22 07 07 04 14 15 42 17 1 6b 00 00 00,其中bb ff表示本命令為讀卡器發(fā)給控制器,01為讀卡器地址,00 02為數(shù)據(jù)長度,41 41為測試數(shù)據(jù),47為校驗(yàn)位,之后的為無效數(shù)據(jù)。
6 結(jié) 語
基于Rabbit2000實(shí)現(xiàn)串口與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的通信技術(shù)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、發(fā)送與接收。由采集到的數(shù)據(jù)表明數(shù)據(jù)收發(fā)的正確性,證明了本通信技術(shù)的可行性與可靠性。本通信技術(shù)已在家校通系統(tǒng)中取得了良好的通信效果,并可應(yīng)用于其他數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,具有廣泛的發(fā)展前景。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]Z-World Inc.Rabbit2000 Microprocessor Designer′s Hand-book,2003.
[2]Z-WorldInc.Dynamic C TCP/IP User′s Manual,2003.
[3]林麗,朱宏.基于Rabbit2000的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[J].福建電腦,2005(4):45-46.
1 概述
CS6208是Myson Century公司最新推出的嵌入式網(wǎng)絡(luò)微控制器,尤其適用于一些網(wǎng)絡(luò)控制和傳輸?shù)膱龊稀T撈骷?051體系結(jié)構(gòu)硬件平臺(tái)的支撐,使用Keil 51編譯環(huán)境?并且處理速度比8051系列單片機(jī)有很大的提高。通常8051單片機(jī)中的12個(gè)時(shí)鐘周期可組成一個(gè)機(jī)器周期,而在CS6208中只需要4個(gè)時(shí)鐘周期,因此在相同的時(shí)鐘周期下,CS6208的處理速度是51系列單片機(jī)的3倍。CS6208將TCP/IP協(xié)議棧的底層函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化,并把它封裝成API函數(shù)。這樣,原來用戶要編寫TCP/IP協(xié)議代碼才能解決的問題現(xiàn)在只需調(diào)用API函數(shù)即可解決,因而大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期;CS6208內(nèi)部集成了4周期的8051和一個(gè)以太網(wǎng)控制器,并配備有標(biāo)準(zhǔn)10MHz以太網(wǎng)接口(包括MAC和PHY),同時(shí)支持ARP、ICMP、IP、UDP、TCP、DNS、DHCP、HTTP等常用協(xié)議,應(yīng)用技術(shù)門檻極低,用戶無需自己開發(fā)TCP/IP等核心協(xié)議程序,特別適合傳統(tǒng)行業(yè)的產(chǎn)品改造和升級(jí),而且極其方便;CS6208把原來需要單片機(jī)和MAC控制器兩個(gè)芯片才能解決的網(wǎng)絡(luò)接入問題集成到了一起,從而大大降低了產(chǎn)品的成本;此外,它的節(jié)能機(jī)制更加科學(xué)高效,CPU核僅工作在1.8V。系統(tǒng)工作在60MHz時(shí),如果輸入電壓為5V,典型電流值為258mA在節(jié)能模式下僅為128mA。
圖1
2 引腳功能及芯片主要特點(diǎn)
2.1 引腳功能
圖1所示是CS6208的引腳排列。
2.2 主要特點(diǎn)
CS6208內(nèi)部的功能模塊組成框圖如圖2所示。其主要特點(diǎn)如下:
CPU
基于8051體系結(jié)構(gòu)的硬件平臺(tái),它的時(shí)鐘在內(nèi)部可編程,系統(tǒng)最高可工作在60MHz。
存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)
片內(nèi)有65k字節(jié)ROM和32k字節(jié)的RAM存儲(chǔ)器,外部最多可以擴(kuò)展到98k字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和131k字節(jié)程序存儲(chǔ)器。
串口和計(jì)數(shù)器
全雙工的通用串口和計(jì)數(shù)器,與8051單片機(jī)相類似,同時(shí),該芯片內(nèi)部還集成有看門狗電路,而且其串口具有增強(qiáng)的自動(dòng)地址識(shí)別和幀檢錯(cuò)功能。
中斷
具有8個(gè)中斷源和3個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。
網(wǎng)絡(luò)接口
集成有10/100MHz以太網(wǎng)控制器和IEEE 802.3 7線ENDEC接口?內(nèi)部有發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū),通過硬件能夠自動(dòng)計(jì)算各類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的校驗(yàn)和。
I/O
帶有4個(gè)8位數(shù)字雙向通用I/O,它們具有超強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力以及3.3V和5V的輸入輸出能力。
協(xié)議
編制的應(yīng)用程序可以訪問TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,同時(shí)支持ARP、ICMP、IP、UDP、TCP、DNS、DHCP、HTTP等常用協(xié)議和軟件,用戶也可根據(jù)需要增加自己的協(xié)議。
A/D
內(nèi)含四通道7位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
電源管理
具有可編程的自動(dòng)監(jiān)測掉電和復(fù)位模式,CPU核工作在1.8V。
3 工作原理
CS6208物理層支持以太網(wǎng)接口和RS232串口的點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議。在CS6208中,每一個(gè)以太網(wǎng)的發(fā)送緩沖區(qū)是1.5k字節(jié),其接收緩沖區(qū)也經(jīng)常使用的,因?yàn)閿?shù)據(jù)有時(shí)是以猝發(fā)形式收到的,因此,當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí),就把收到的數(shù)據(jù)放到這個(gè)緩沖區(qū)中,然后由數(shù)據(jù)鏈路層直接從該緩沖區(qū)取走數(shù)據(jù)。鏈路層通常包括操作系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和計(jì)算機(jī)中對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡,它們將一起處理與電纜的物理接口細(xì)節(jié)數(shù)據(jù),其緩沖區(qū)可用來暫時(shí)存儲(chǔ)要發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀。網(wǎng)絡(luò)層則處理分組在網(wǎng)絡(luò)中的活動(dòng),比如分組的選路等。傳輸層可為兩臺(tái)主機(jī)的應(yīng)用程序提供端到端的通信。在TCP/IP協(xié)議族中有兩個(gè)互不相同的協(xié)議TCP和UDP;其中TCP為兩臺(tái)主機(jī)提供可靠的數(shù)據(jù)通信,而UDP則提供一種簡單的服務(wù)。對(duì)于TCP發(fā)送過程而言,應(yīng)用程序把數(shù)據(jù)先寫到緩沖區(qū)中,再寫到TCP的發(fā)送緩沖區(qū),然后寫到數(shù)據(jù)鏈路層的緩沖區(qū),最后再通過以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)到網(wǎng)絡(luò)上。TCP的接收數(shù)據(jù)過程與此類似,每一個(gè)TCP套節(jié)字的接收緩沖區(qū)是可選的,如果應(yīng)用程序要使用這個(gè)接收緩沖區(qū),那么傳輸過來的數(shù)據(jù)就先寫到這個(gè)緩沖區(qū)中,之后再從這里取走,如果沒有這個(gè)接收緩沖區(qū),接收來的數(shù)據(jù)就會(huì)直接送給應(yīng)用程序。在這種情況下,對(duì)于UDP來說,其過程還相對(duì)簡單,應(yīng)用程序只要把緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)鏈路層緩沖區(qū)中,然后通過以太網(wǎng)發(fā)出去即可,而應(yīng)用層則要負(fù)責(zé)處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié),這就要求每一個(gè)應(yīng)用程序都有自己的緩沖區(qū),這在一些標(biāo)準(zhǔn)的TCP應(yīng)用程序(如POP3、SMTP、HTTP、FTP)中是很常見的。具體的數(shù)據(jù)處理過程見圖3所示,圖中箭頭所指是數(shù)據(jù)的流向。
【關(guān)鍵詞】靜止同步補(bǔ)償器;直接電流控制;多模型;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);PI控制器
1.引言
利用靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)來改善電能質(zhì)量主要有兩個(gè)目的[1-3]:提高功率因數(shù)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。然而在一些用電場合,負(fù)載的變化并未導(dǎo)致系統(tǒng)電壓發(fā)生明顯降低,但系統(tǒng)的功率因數(shù)卻發(fā)生了較大的變化,因此對(duì)功率因數(shù)的補(bǔ)償就顯得尤為重要[4-5]。
STATCOM的主要控制目標(biāo)是通過補(bǔ)償負(fù)載無功功率來提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。為了達(dá)到這個(gè)目的,文獻(xiàn)[6]采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)相結(jié)合的雙閉環(huán)PI控制方法,通過PI控制器可以實(shí)現(xiàn)無穩(wěn)態(tài)誤差的無功電流跟蹤控制,然而,當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí),僅僅依靠PI控制器難以滿足無功電流跟蹤控制的精度要求。為此,為此文獻(xiàn)[7]提出了基于多模型PI控制器的直接電壓控制法,該方法引入多模型理論[8],設(shè)定多個(gè)模型來適應(yīng)負(fù)載的變化,大大提高了控制精度,在穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓能力方面具有出色表現(xiàn),但該方法對(duì)于負(fù)載變化后系統(tǒng)功率因數(shù)的提高并沒有明顯效果,且多個(gè)模型導(dǎo)致PI參數(shù)成倍增加,大大增加了人工PI參數(shù)整定帶來的繁瑣工作量。
本文針對(duì)系統(tǒng)接入的沖擊性負(fù)載的不確定性,提出了一種基于多模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制器的STATCOM直接電流控制方法。該方法根據(jù)負(fù)載的功率因數(shù),建立多個(gè)模型,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9-10]具有任意非線性函數(shù)逼近的能力,通過不斷學(xué)習(xí)來優(yōu)化每個(gè)模型中PI控制器的控制參數(shù),然后根據(jù)瞬時(shí)檢測到的負(fù)載功率因數(shù)切換相應(yīng)的模型。仿真結(jié)果表明,基于多模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制器的STATCOM直接電流控制方法在不同沖擊性負(fù)載下均具有較快的補(bǔ)償速度和較高的精度,能夠使系統(tǒng)的功率因數(shù)維持在1左右,從而獲得了滿意的控制效果。
2.基于PI控制器的STATCOM直接電流控制原理
STATCOM接入系統(tǒng)的等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示,其中為無窮大系統(tǒng)的等效電勢,為由負(fù)荷端視入的無窮大系統(tǒng)等效戴維南阻抗,是STATCOM的等效阻抗,為STATCOM接入點(diǎn)處的電壓,也就是負(fù)荷的供電電壓。當(dāng)STATCOM沒有投入運(yùn)行時(shí),負(fù)荷電流中的無功分量完全由系統(tǒng)承擔(dān),即。如果較大,功率因數(shù)會(huì)很低,線路損耗也會(huì)大大增加。當(dāng)STATCOM接入系統(tǒng)后,將產(chǎn)生容性無功電流,補(bǔ)償負(fù)荷無功電流,為系統(tǒng)提供無功支持。理想情況下,當(dāng)時(shí),STATCOM將完全抵消負(fù)荷無功電流,使系統(tǒng)功率因數(shù)等于1。
直接電流控制的目標(biāo)就是使STATCOM發(fā)出無功電流跟蹤上負(fù)載側(cè)無功電流分量,這樣才能使無功電流達(dá)到就地補(bǔ)償?shù)哪康模S持負(fù)載側(cè)功率因數(shù)在1左右。STATCOM的直接電流PI控制框圖如圖2所示,和經(jīng)過PI控制環(huán)節(jié),得到STATCOM交流側(cè)電壓的直軸分量。為保證直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定,這里設(shè)定直流側(cè)電壓參考值,將直流側(cè)電容電壓的參考值和其瞬時(shí)值相比較后再經(jīng)過PI控制環(huán)節(jié),就可以得到STATCOM應(yīng)該吸收的有功電流,將其與STATCOM實(shí)際發(fā)出的有功電流進(jìn)行比較后再經(jīng)過PI控制,得到STATCOM交流側(cè)電壓的交軸分量。將、以及(賦值為0)經(jīng)過dq0-abc變換為指令信號(hào)作為調(diào)制正弦波,經(jīng)過三角載波調(diào)制后,產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖,觸發(fā)IGBT,使STATCO M輸出補(bǔ)償電流。
3.基于多模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制器的STATCOM直接電壓控制方法
3.1 多模型建立的基本原理
直接電流PI控制雖然具有較好的響應(yīng)速度和無功補(bǔ)償精度,但當(dāng)負(fù)載發(fā)生較大變化時(shí),該控制方法難以適應(yīng)負(fù)載的變化,會(huì)造成補(bǔ)償精度和速度的降低。因此,此處將多模型理論應(yīng)用到直接電流PI控制中。
在一些用電場合,負(fù)載的變化主要體現(xiàn)在功率因數(shù)的變化上。當(dāng)接入沖擊性負(fù)載時(shí),單相等效電路如圖3所示。由于本文研究的仿真模型中,設(shè)定系統(tǒng)側(cè)的阻抗遠(yuǎn)小于負(fù)載側(cè)的阻抗,即:
當(dāng)STATCOM未接入時(shí)可以表示為:
當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載的功率因數(shù)發(fā)生較大變化時(shí),STATCOM需要吸收或發(fā)出較大的無功電流,才能補(bǔ)償負(fù)載側(cè)的無功電流。這就需要能夠在較大的范圍內(nèi)變化。由于系統(tǒng)側(cè)的阻抗遠(yuǎn)小于負(fù)載側(cè)的阻抗,因此STATCOM輸出電壓的相位近似等于系統(tǒng)側(cè)電壓的相位。根據(jù)式(4),可以得出,當(dāng)增大時(shí),增大,當(dāng)減小時(shí),減小。因此,STATCOM輸出電壓的變化決定了STATCOM發(fā)出的無功電流的變化。
3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理
利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PI參數(shù)可以大大減少整定PI參數(shù)的工作量,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制器由PI控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。PI控制器直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過自學(xué)習(xí)和權(quán)值的調(diào)整控制器參數(shù)、,以期達(dá)到性能指標(biāo)的最優(yōu)。這里采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其輸入層有3個(gè)節(jié)點(diǎn),分別為指令電流、實(shí)際輸出電流以及兩者的差值,輸出層為2個(gè)節(jié)點(diǎn),即比例系數(shù)和積分系數(shù),隱含層設(shè)置為5個(gè)節(jié)點(diǎn)。這樣,即可通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)對(duì)PI控制器參數(shù)的整定,如圖4所示。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)采用正負(fù)對(duì)稱的Sigmoid函數(shù):
因此可知,STATCOM輸出電壓的幅值大小與和的大小有關(guān)。而和分別由d軸第二級(jí)PI控制器和q軸PI控制器得到。由此可見,調(diào)節(jié)d軸第二級(jí)PI控制器參數(shù)和q軸PI控制器參數(shù),可以起到調(diào)節(jié)有功電壓信號(hào)和無功電壓信號(hào)的作用,從而達(dá)到調(diào)節(jié)STATCOM輸出電壓的目的,而輸出電壓決定了STATCOM發(fā)出無功電流的大小。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載的電流一定時(shí),負(fù)載側(cè)無功電流的變化可以體現(xiàn)為負(fù)載功率因數(shù)的變化,即負(fù)載無功電流較大時(shí),功率因數(shù)較小,反之亦然。因此,當(dāng)功率因數(shù)發(fā)生較大變化時(shí),可以采用不同的d軸第二級(jí)PI控制器參數(shù)、和q軸PI控制器參數(shù)、,使STATCOM發(fā)出的無功電流跟蹤負(fù)載所需的無功電流。當(dāng)系統(tǒng)各元件參數(shù)確定時(shí),便可以根據(jù)負(fù)載側(cè)功率因數(shù)的大小來劃分模型,對(duì)于不同的模型來確定相應(yīng)的d軸第二級(jí)PI控制器參數(shù)和q軸PI控制器參數(shù)。
根據(jù)3.1分析可知,隨著負(fù)載的變化,可以認(rèn)為近似不變,而負(fù)載的功率因數(shù)變化較大,因此可以將負(fù)載側(cè)功率因數(shù)作為模型劃分的依據(jù),將系統(tǒng)劃分為多個(gè)模型(),然后對(duì)于每個(gè)模型分別設(shè)計(jì)d軸第二級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制器()與q軸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制器,基于多模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制器的直接電流控框圖如圖5所示。當(dāng)沖擊性負(fù)載接入后,多模型控制器檢測負(fù)載電流,經(jīng)過adc/dq0變換后由式(8)計(jì)算出功率因數(shù),并選擇相應(yīng)模型,每個(gè)模型中的d軸第二級(jí)PI控制器和q軸PI控制器參數(shù)和由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整定以達(dá)到理想的控制效果。
理論上講模型分得越多系統(tǒng)控制越精確,但系統(tǒng)穩(wěn)定性會(huì)以及控制器計(jì)算量會(huì)受到影響,故本文設(shè)定了3個(gè)模型。
4.仿真研究
為了驗(yàn)證基于多模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制器的STATCOM直接電流控制策略在不同沖擊性負(fù)載下都具有良好的無功補(bǔ)償能力,本文將其與基于傳統(tǒng)PI控制器的直接電流控制法進(jìn)行比較。利用MATLAB/SIMULINK對(duì)STATCOM系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究,仿真電路的參數(shù)如下:系統(tǒng)電壓,系統(tǒng)頻率,線路電感線路電阻,輸出濾波器等效電感,輸出濾波器等效電阻,輸出濾波器等效電容,直流側(cè)電容,調(diào)制三角波頻率,直流側(cè)電容電壓參考值,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI模塊通過調(diào)用MTALAB的S函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
仿真中所采用的基于傳統(tǒng)PI控制器的直接電流控制法的PI參數(shù)采用恒定參數(shù),與模型1相同,即與表1中Q大于0.55時(shí)一致。
圖6、圖7、圖8分別給出了0~0.2S的時(shí)段內(nèi),接入沖擊性負(fù)載后負(fù)載側(cè)功率因數(shù)Q分別為0.62、0.40、0.18時(shí)的兩種方法的補(bǔ)償效果圖;圖中6/7/8A為未采用STATCOM補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)側(cè)電壓電流,6/7/8B為采用傳統(tǒng)PI控制器時(shí)的補(bǔ)償效果圖,6/7/8C為采用本文提出的多模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制器時(shí)的補(bǔ)償效果圖。需要特別指出的是,圖6中,由于傳統(tǒng)PI控制器和多模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制器均采用同一種PI參數(shù),因此補(bǔ)償效果一樣。
比較以上仿真效果圖,我們可以發(fā)現(xiàn):
1)當(dāng)負(fù)載側(cè)功率因數(shù)Q為0.62時(shí),如圖6,此時(shí)Q>0.55,故多模型控制器選擇模型1。由于此時(shí)傳統(tǒng)PI控制器和多模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制器采用同一組PI參數(shù),因此補(bǔ)償效果一致,均能在半個(gè)周波內(nèi)使系統(tǒng)側(cè)電流可以達(dá)到穩(wěn)定且系統(tǒng)側(cè)電流和電壓保持同相位,從而使系統(tǒng)側(cè)功率因數(shù)為補(bǔ)償?shù)?。
2)當(dāng)負(fù)載側(cè)功率因數(shù)為0.40和0.18時(shí),如圖7、8,隨負(fù)載側(cè)功率因數(shù)的變化,傳統(tǒng)PI控制器已經(jīng)無法適應(yīng)負(fù)載的變化,雖然在幾個(gè)周波后能夠勉強(qiáng)維持系統(tǒng)側(cè)電壓電流同相位,但是前半個(gè)周波沖擊電流較大,電流波形較差,諧波畸變率較高,無法獲得理想的補(bǔ)償效果。而采用本文提出的多模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制器后,多模型控制器根據(jù)Q的范圍選擇與各自模型相適應(yīng)的PI參數(shù),補(bǔ)償后的效果較理想,系統(tǒng)電壓和電流均能保持同相位,系統(tǒng)電流的諧波畸變率較小,并且均能在半個(gè)周波內(nèi)使系統(tǒng)側(cè)電流達(dá)到穩(wěn)定。
5.結(jié)論
針對(duì)STATCOM在補(bǔ)償系統(tǒng)功率因數(shù)時(shí),傳統(tǒng)的直接電流PI控制方法未能有效適應(yīng)負(fù)載的變化,且人工整定PI參數(shù)過于繁瑣,本文提出了基于多模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制器的STATCOM直接電流控制方法。既利用多模型技術(shù)更好的適應(yīng)負(fù)載的變化,又利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練大大降低了PI控制器的控制參數(shù)人工整定的工作量。通過仿真研究,從對(duì)負(fù)載的變化的適應(yīng)能力,系統(tǒng)功率因數(shù)的提高以及補(bǔ)償速度,對(duì)傳統(tǒng)PI控制方法與多模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制方法進(jìn)行了比較,得出在基于多模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI的STATCOM直接電流控制方法下,STATCOM能夠提高系統(tǒng)功率因數(shù)至1左右,且能夠更迅速的適應(yīng)接入負(fù)載的變化,具有更好的無功補(bǔ)償能力。
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關(guān)鍵詞:足球機(jī)器人;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);PID;運(yùn)動(dòng)控制
中圖分類號(hào):TP
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1672-3198(2010)12-0292-01
1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)整定的PID控制器仿真
仿真的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值的確定。我們可知隱含層節(jié)點(diǎn)的輸入為ui=∑4wijxj在計(jì)算中常用兩個(gè)矩陣來表示。輸入矩陣,輸出矩陣,輸入層至隱含層和隱含層至輸出層權(quán)值矩陣。初始權(quán)值矩陣選取是關(guān)鍵之一,其決定最終優(yōu)化效果,但是權(quán)值初始化非常困難,一般采用的方法是隨機(jī)生成初始權(quán)值矩陣,進(jìn)行仿真,取仿真效果較好的幾組隨機(jī)初始矩陣值。此法隨機(jī)性較大,需要通過輸入不同目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行檢測,取得仿真效果較好(多數(shù)樣本有效)的一組作為初始矩陣。但此法還是有一定缺陷,只能局部目標(biāo)點(diǎn)可以采用。為了獲得良好控制效果,這里對(duì)PID控制器進(jìn)行簡單改進(jìn)。將PID控制器的偏差量error(k),error(k-1)(上次誤差),error(k-2)(前次誤差)全部進(jìn)行預(yù)處理,即同時(shí)除以第一次誤差d1。然后按神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的PID參數(shù)原值進(jìn)行計(jì)算,得到輸出。
2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)整定的PID控制器設(shè)計(jì)改進(jìn)
通過研究,在能到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的前提下,機(jī)器人的速度曲線理想情況下應(yīng)該要使啟動(dòng)平穩(wěn),在增量PID中若初始?jí)旱洼敵?即經(jīng)過一段距離后,控制器輸出才到達(dá)最大值,距離長短由角度控制器決定),隨時(shí)間累積到達(dá)一定值時(shí)被控對(duì)象輸入為最大值,最大值持續(xù)輸出一段距離后,被控對(duì)象輸入開始下降,使被控對(duì)象輸出下降到一定的可控范圍內(nèi)。此時(shí),PID控制器中隨時(shí)間累積的項(xiàng)就是積分項(xiàng)。但積分作用初始很強(qiáng),所以初始速度過猛,這就需要減弱微分作用的靈敏度,于是本文就采用不完全微分控制算法,來達(dá)到此改進(jìn)目的。不完全微分控制算法的作用就是減弱初始一段時(shí)間的積分作用,將其作用延后,即如上圖所示,中間段速度持續(xù)最大值。
這里改進(jìn)后控制器輸出為:u(k)=a×u(k-1)+(1-a)×du(k)。
3 PID控制器與基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的控制器的仿真對(duì)比
下面,通過與P控制比較來分析基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。為了便于設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié),在此簡化PID控制器為P控制器,即v=k1×Ed,w=k2×Er。進(jìn)行仿真對(duì)比,這里針對(duì)一般目標(biāo)點(diǎn)(1000,5000),兩個(gè)特殊目標(biāo)點(diǎn)(10000,50)、(50,10000)三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測。對(duì)比例系數(shù)調(diào)節(jié)過程遵循兩個(gè)原則:
(1)末端可控(即末態(tài)速度在下一階段開始時(shí)的速度可控范圍內(nèi));
(2)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。接下來就是根據(jù)快速性和平穩(wěn)性優(yōu)化參數(shù)。在此我們不妨觀察目標(biāo)點(diǎn)為(10000,50)時(shí)兩者的對(duì)比圖。其中(k1=0.67,k2=15),
圖1 目標(biāo)點(diǎn)為(10000,50)的PID控制器仿真
圖2 目標(biāo)點(diǎn)為(10000,50)改進(jìn)后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器仿真
圖1 目標(biāo)點(diǎn)為(10000,50)改進(jìn)后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器仿真(the simulation of improved neural network controller on target point(10000,50))
通過上面P控制器和基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制的仿真的比較,可以看出,改進(jìn)后的控制效果明顯優(yōu)化了很多,初始速度有一段上升時(shí)間,可見控制器的輸出被壓低取得明顯效果,并且能保證大的輸出持續(xù)一段時(shí)間(積分作用有效),最后輸出下降,有利于下一階段控制。這是控制器進(jìn)行不完全積分后取得的好效果。本次設(shè)計(jì)的控制器PID參數(shù)是實(shí)時(shí)在線進(jìn)行優(yōu)化的,所以每次PID參數(shù)都在改變,有利于實(shí)時(shí)跟蹤輸入信號(hào),達(dá)到優(yōu)化控制的目的。
參考文獻(xiàn)
【關(guān)鍵詞】汽車;控制系統(tǒng);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);故障檢修
控制系統(tǒng)是汽車的重要組成部分,對(duì)于汽車的形式以及使用性能具有重要影響,其是指汽車中裝載的各種電子元件組成的系統(tǒng),各式各樣的電子元件組成了汽車中的發(fā)動(dòng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等。因此,文章主要針對(duì)汽車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及常見故障檢修方向展開分析,報(bào)道如下。
一、汽車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析
汽車中使用的電子元件品種繁多,且受到使用性能、方式等方面的影響,各電子元件之間的差異也較大,但是為了方便控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)過程中,是通過將各種電子元件作為獨(dú)立概念進(jìn)行設(shè)計(jì),而不是通過以儀器的實(shí)際外形進(jìn)行設(shè)計(jì),這樣能夠?qū)⑦@些電子元件作為控制系統(tǒng)中的獨(dú)立儀器,從而制作控制系統(tǒng)單元結(jié)構(gòu),有助于設(shè)計(jì)師闡述控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法與目的[1]。
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的更新推動(dòng)了汽車使用性能的提升,并且現(xiàn)階段中汽車裝載的電子元件的技術(shù)含量不斷提高,控制電路、智能芯片等產(chǎn)品的研發(fā)使得汽車電器系統(tǒng)的智能性得到進(jìn)一步發(fā)展,尤其是在控制電路方面,其具有強(qiáng)大的功能以及使用性能,通過與各電子元件的連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)各種電子元件的控制[2]。典型的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為分布式、集中式以及近似全分布式這三種結(jié)構(gòu)。分布式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于通過單個(gè)電子元件對(duì)多個(gè)電子元件的控制,從而優(yōu)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能;但是其缺點(diǎn)在于電子元件之間可造成相互影響,導(dǎo)致控制系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障;集中式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所有電子元件的控制,缺點(diǎn)也同樣明顯,即一旦控制器出現(xiàn)問題,可造成控制系統(tǒng)癱瘓,嚴(yán)重影響汽車使用性能;近似全分布式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于通過多個(gè)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)各電子元件的控制,但是這種結(jié)構(gòu)的造價(jià)高,使得汽車生產(chǎn)成本增加。這些結(jié)構(gòu)各有各的優(yōu)缺點(diǎn),在實(shí)際生產(chǎn)中受到了廣泛的應(yīng)用,能夠提升控制系統(tǒng)的使用性能。
二、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車控制系統(tǒng)常見故障以及診斷分析
隨著現(xiàn)代智能計(jì)算的發(fā)展,提升了汽車控制系統(tǒng)的性能,這同時(shí)也是現(xiàn)代汽車的發(fā)展趨勢[3]。但是由于目前市面中汽車品種繁多,許多控制系統(tǒng)故障檢測系統(tǒng)無法兼顧全局,因此,在日常生活中,要加強(qiáng)汽車的養(yǎng)護(hù)和檢修,避免出現(xiàn)意外事故。
(一)常見的控制系統(tǒng)故障以及故障原因
在長時(shí)間的使用過程中,電子元件免不了發(fā)生老化、故障等問題。筆者根據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)分析,常見的汽車電子元件故障有:①電子元件老化,這主要是由于線路老化發(fā)生的線路斷裂,對(duì)于控制系統(tǒng)的性能造成嚴(yán)重影響;②電子元件損壞,這主要是由于電子元件過熱或高溫天氣造成的原件電阻增加,進(jìn)而引起短路、斷路;③線路問題,這主要是由于運(yùn)行過程中汽車出現(xiàn)較大幅度的位移、顛簸造成的線路松動(dòng)等現(xiàn)象,可能導(dǎo)致短路、短路或是電子元件磨損。
(二)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下汽車控制系統(tǒng)故障診斷
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)是從生物神經(jīng)系統(tǒng)中獲得的靈感,通過模仿生物神經(jīng)元的組織結(jié)構(gòu),進(jìn)而展現(xiàn)出現(xiàn)與人腦相似的性質(zhì),其能夠通過癥狀搜集或狀態(tài)收集從而處理復(fù)雜的非線性映射關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之所以具有強(qiáng)大的功能,主要是由于其具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力、分布式信息儲(chǔ)存能力、獨(dú)立計(jì)算能力等,能夠解決復(fù)雜的問題。
由于現(xiàn)代實(shí)際應(yīng)用的控制系統(tǒng)故障診斷方法有很多,本文主要針對(duì)幾種常見的診斷方法進(jìn)行分析:①神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)。該方法主要通過應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng),通過輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)或故障癥狀,從而推算出故障的原因,進(jìn)而進(jìn)行故障診斷。②神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)殘差檢驗(yàn)法:該方法主要利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)的常規(guī)屬性,在系統(tǒng)中輸入一些特定的參數(shù),并與控制系統(tǒng)的實(shí)際值進(jìn)行比對(duì),從而得到殘差,這樣能夠?qū)崿F(xiàn)故障診斷[4]。在此過程中,可以利用數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)計(jì)算差值,能夠提升計(jì)算的準(zhǔn)確性。③神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)殘差法:這種方法與上述方法不同,上述方法是獲得殘差,而該方法是評(píng)價(jià)殘差,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)殘差進(jìn)行分析,從而獲得控制系統(tǒng)故障問題。④神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷分析:利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)進(jìn)行故障分析,其主要是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)以及控制器等方面的非線性關(guān)系,從控制系統(tǒng)的輸出情況分析,以此來了解控制系統(tǒng)的故障情況。⑤神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)誤差補(bǔ)充檢測法:其主要是利用了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的非線性觀測器,能夠迅速判斷故障發(fā)生未知,進(jìn)而提升故障檢出率[5]。⑥模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷:其主要是利用模糊理論以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式,這種方法是通過普通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中加入模糊概念,在輸出時(shí)加入模糊層,通過語言規(guī)劃網(wǎng)絡(luò),使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)具有意義,并且由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較好的學(xué)習(xí)能力,比一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷準(zhǔn)確率更高。
結(jié)束語
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷提升,汽車控制系統(tǒng)不斷向智能化發(fā)展,因此,要加強(qiáng)控制系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)建設(shè),保障用戶的使用體驗(yàn)。
作者簡介:張騫(1985.11-),男,河南新鄉(xiāng)人,碩士研究生,助教,主要研究方向?yàn)槠嚈z測與診斷技術(shù),汽車電子控制,新能源汽車系統(tǒng)等。
參考文獻(xiàn):
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