摘 要： 基于預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和DSP高速數(shù)字處理相結(jié)合的構(gòu)建原理,，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整,，同時(shí)利用DSP數(shù)字信號(hào)高速處理運(yùn)算，對(duì)錫爐溫度實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)控制,。實(shí)驗(yàn)表明,，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，跟蹤能力強(qiáng),，穩(wěn)態(tài)精度高,，有較強(qiáng)抗擾動(dòng)能力。
關(guān)鍵詞： 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),；數(shù)字信號(hào)處理,；預(yù)測(cè)；溫度控制
現(xiàn)代電子元件裝配要求錫爐焊接溫度更加穩(wěn)定,，對(duì)錫爐高溫控制的難度也就增強(qiáng),。隨著預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究不斷深入，由于其運(yùn)算數(shù)據(jù)量大,、收斂比較慢的特點(diǎn),，使其應(yīng)用受到了硬件上的限制，實(shí)際應(yīng)用并不多,。但DSP高速數(shù)字信號(hào)處理速度越來(lái)越快,，在線實(shí)時(shí)控制能力越來(lái)越強(qiáng)，在結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方面效果顯著,。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)能力對(duì)溫度參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和調(diào)整,，同時(shí)結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理（DSP）模塊進(jìn)行控制和運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算處理控制,，最終實(shí)現(xiàn)了錫爐溫度控制系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)補(bǔ)償加熱控制,。
1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)事件預(yù)測(cè)是一種很好的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)規(guī)則,，通過(guò)預(yù)測(cè)和DSP運(yùn)算處理控制相結(jié)合來(lái)學(xué)習(xí)及調(diào)節(jié)控制函數(shù)的參數(shù),。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和DSP的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,?？刂葡到y(tǒng)由預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和DSP數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算控制兩部分構(gòu)成，這兩部分有共同的輸入信號(hào),，即網(wǎng)絡(luò)溫度誤差e,。預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)采樣溫度樣本和預(yù)先設(shè)置樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估,，預(yù)測(cè)值經(jīng)過(guò)外部環(huán)境控制的影響因子進(jìn)行適當(dāng)校正后,，進(jìn)行預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和控制函數(shù)的參數(shù)調(diào)節(jié),。DSP運(yùn)算處理控制中心根據(jù)控制溫度誤差和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值，通過(guò)高速數(shù)據(jù)運(yùn)算處理,，接收和發(fā)布各種控制命令并加以執(zhí)行,，包括實(shí)時(shí)溫度顯示、溫度控制輸出,、溫度超越限值報(bào)警等輸入和輸出參數(shù),。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制模塊的對(duì)象，溫度控制系統(tǒng)的最終對(duì)象為加熱器,。因此,，錫爐溫度控制系統(tǒng)以溫度的變化作為整個(gè)控制核心，它由溫度傳感器來(lái)轉(zhuǎn)化,，經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）進(jìn)行有效的控制,。
該控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[1]，其特點(diǎn)是只有前后相鄰兩層之間的神經(jīng)元相互連接,，輸出神經(jīng)元輸出預(yù)測(cè)值,，預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為3層,，即為輸入層,、隱層和輸出層。輸入層負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù),，不進(jìn)行運(yùn)算,。其中x0激活函數(shù)的初始值，位于[-1,，1]之間的隨機(jī)數(shù),，而x1是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的溫度誤差e，x2和x3分別為加熱器的電壓電流檢測(cè)值,。
實(shí)際應(yīng)用中wij為各層連接權(quán)值,，針對(duì)激活函數(shù)f(net)的控制參數(shù)net進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)收斂范圍的控制，從而有利于保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。
因此,，通過(guò)算法的實(shí)驗(yàn)，利用自適應(yīng)因子(1-β)對(duì)權(quán)修改量按需進(jìn)行彈性的變化,，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)收斂速度的學(xué)習(xí),。
2 DSP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
錫爐加熱溫度控制系統(tǒng)對(duì)加熱控制關(guān)鍵件可實(shí)行PID控制，從而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)錫爐溫度變化的溫度加熱補(bǔ)償控制,，增加熱效率的有效應(yīng)用,，并有利于提高電能的利用率,，實(shí)現(xiàn)節(jié)能,，同時(shí)提高了電路板焊接的合格率,。系統(tǒng)構(gòu)成包括DSP處理[4]、溫度傳感檢測(cè),、電壓電流檢測(cè),、溫度顯示,、溫度鍵盤參數(shù)設(shè)置、溫度報(bào)警,、控制輸出等功能,。系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、顯示直觀,、控制方便,。控制系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)是DSP數(shù)字信號(hào)運(yùn)算處理控制器,。由DSP芯片TMS320FL2407做為控制中心,，輔助外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。
2.1 系統(tǒng)硬件電路
控制系統(tǒng)主要采用DS1002型系統(tǒng)板及其多路I/O板,，系統(tǒng)主要由數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320FL2407中心及相應(yīng)接口外圍電路組成, 包括加熱器件可控驅(qū)動(dòng)電路,、溫度采集A /D 電路、溫度設(shè)定鍵盤輸入,、溫度顯示電路和報(bào)警電路等,。實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)硬件電路原理如圖3所示。
(1)DSP數(shù)字處理電路,。對(duì)接收溫度傳感檢測(cè)而轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理,，同時(shí)完成上位機(jī)預(yù)測(cè)狀態(tài)的處理，輸出執(zhí)行控制信號(hào),；
(2)加熱器件可控驅(qū)動(dòng)電路,。控制加熱器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以采用傳統(tǒng)的繼電器類和可控硅類型,，但其控制簡(jiǎn)單,、性能差。本加熱溫度控制系統(tǒng)采用PID方式,，模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓相角,，可以進(jìn)行溫度的連續(xù)控制，解決溫度控制的精度和穩(wěn)定度要求,，實(shí)現(xiàn)控制溫度精度達(dá)到±2 ℃,。根據(jù)溫度傳感器提供感應(yīng)回饋的采樣數(shù)據(jù)，DSP輸出的PWM控制信號(hào),，控制加熱器的執(zhí)行元件,，達(dá)到在線實(shí)時(shí)控制錫爐溫度的目的,；
(3)溫度、電壓和電流采集A/D電路,。系統(tǒng)在初始化工作時(shí),，不斷地通過(guò)傳感器采集當(dāng)前的錫爐實(shí)時(shí)溫度。系統(tǒng)板通過(guò)I/O板將溫度傳感器采集的模擬數(shù)據(jù)和溫度誤差完成A/D轉(zhuǎn)換后,，由高速通路送入DSP控制中心,，同時(shí)結(jié)合電壓電流數(shù)據(jù)，將采集數(shù)據(jù)與比較寄存器內(nèi)的設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算,，經(jīng)DSP高速運(yùn)算處理后進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，進(jìn)入控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),；
(4)溫度設(shè)定鍵盤輸入,。系統(tǒng)的溫度控制參數(shù)的輸入由8個(gè)輸入輕觸按鍵通過(guò)串口與DSP系統(tǒng)板之間的通信實(shí)現(xiàn)；
(5)顯示電路和報(bào)警電路,。顯示電路組成單元由液晶模塊板,、指示發(fā)光二極管和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。液晶模塊板顯示系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù),，主要由大字體顯示錫爐實(shí)時(shí)溫度,，同時(shí)以小字體顯示當(dāng)前加熱器的電壓和電流。正常工作時(shí),，電源指示二極管發(fā)紅光,，工作指示二極管發(fā)綠光；當(dāng)工作指示二極管發(fā)黃光時(shí),，預(yù)示系統(tǒng)電路出現(xiàn)故障,，錫爐溫度有可能出現(xiàn)異常，需要斷開控制系統(tǒng)維修或重新啟動(dòng)系統(tǒng)及復(fù)位,。同時(shí)給出報(bào)警提示聲音,，DSP控制輸出端送出斷開可硅電路的控制電壓，停止加熱器繼續(xù)工作,。報(bào)警電路有喇叭及其驅(qū)動(dòng)放大電路組成,，報(bào)警聲音由軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.2 系統(tǒng)軟件
在系統(tǒng)芯片中選用TMS320LF2407,，通過(guò)上位機(jī)把C語(yǔ)言開發(fā)的算法經(jīng)編譯連接后,，轉(zhuǎn)換為DSP能接收的目標(biāo)文件格式（COFF），加載到DSP進(jìn)行執(zhí)行控制,。圖4為控制系統(tǒng)軟件流程圖,。采集溫度傳感器的模擬參數(shù)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，用C語(yǔ)言編寫的控制算法通過(guò)CL30開發(fā)工具進(jìn)行編譯,，傳到DSP系統(tǒng)板加以運(yùn)算控制,，獲得控制驅(qū)動(dòng)信號(hào),。在DSP控制中心，對(duì)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)算法的過(guò)程中,，上位PC機(jī)通過(guò)RAM進(jìn)行狀態(tài)信息的捕捉,，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的參數(shù)性能，為溫度控制系統(tǒng)的控制算法提供有力分析依據(jù),，完成系統(tǒng)的調(diào)試,。
控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)初始化后開中斷，并進(jìn)行各種功能檢測(cè),。溫度參數(shù)采樣進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),，送入DSP運(yùn)算中心進(jìn)行數(shù)字處理，輸出控制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),。定時(shí)器T0作為采樣設(shè)定周期,，每個(gè)采樣周期完成一次采樣和運(yùn)算分析處理，直到預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)完成,，退出中斷而停止,。
3 系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果
在電路中安裝溫度、電壓和電流檢測(cè)裝置,，經(jīng)過(guò)電路實(shí)驗(yàn),，在DSP中植入預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)溫度PID控制,，其溫度控制曲線如圖5所示,。
將預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和DSP高速運(yùn)算處理相結(jié)合的方法應(yīng)用到錫爐的溫度PID控制系統(tǒng)中，大大提高了控制系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性和精度,，為電子元件在裝配過(guò)程中提供了可靠的焊接溫度,，降低了因裝接高溫而損壞元件和電路板的可能性。
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