CN203909497U - 一种基于忆阻器的单神经元pid控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于忆阻器的单神经元PID控制器，包括：第一忆阻器M₁、第二忆阻器M₂、第三忆阻器M₃以及求和电路；其中，所述第一忆阻器M₁、所述第二忆阻器M₂以及所述第三忆阻器M₃的一端分别与所述求和电路输入端连接。该控制器结构简单，参数能自动调整，控制精度高。

Description

一种基于忆阻器的单神经元PID控制器

技术领域

本实用新型涉及人工神经元网络和控制技术领域，具体涉及一种基于忆阻器的单神经元PID控制器。

背景技术

单神经元PID控制器是一种用神经网络的方法来实现PID参数自整定的控制器，具有自学习和自适应的特点。对于复杂非线性系统，单神经元PID控制器的控制效果明显好于常规控制器，因此该控制器在工业控制中得到广泛应用。

目前单神经元PID控制器主要采用软件实现，无法发挥神经网络并行处理的优势，软件的离散实现也从一定程度上降低了控制精度，无法满足实时控制的要求。另外，现有的一些单神经元PID控制器电路结构复杂，实现成本高，参数不易调整，不利于实际应用。

实用新型内容

本实用新型是为了克服上述现有技术中单神经元PID控制器电路结构复杂、参数不易调整等缺陷，提供一种基于忆阻器的单神经元PID控制器，该控制器结构简单，参数能自动调整。

为实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种基于忆阻器的单神经元PID控制器，包括：第一忆阻器M₁、第二忆阻器M₂、第三忆阻器M₃以及求和电路；

其中，所述第一忆阻器M₁、所述第二忆阻器M₂以及所述第三忆阻器M₃的一端分别与所述求和电路输入端连接。

本方案进一步的，还包括信号转换模块，所述信号转换模块输出的误差比例信号x₁、误差积分信号x₂以及误差微分信号x₃分别与所述第一忆阻器M₁、所述第二忆阻器M₂以及所述第三忆阻器M₃的另一端连接。

本方案进一步的，将所述第一忆阻器、所述第二忆阻器以及所述第三忆阻器分别等效于忆阻器等效电路，所述忆阻器等效电路包括：电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电容C₁、第一运算放大器U₁、第二运算放大器U₂、第三运算放大器U₃以及第一模拟乘法器A₁；

所述第一运算放大器U₁的同相输入端分别与所述第一模拟法器A1的一个乘数输入端Y以及所述第三运算放大器U₃的TZ端连接，所述第一运算放大器U₁的输出端分别与所述电阻R₁的一端及所述第一运算放大器U₁的反相输入端连接；

所述第二运算放大器U₂的反相输入端分别与所述电阻R₁的另一端及所述电容C₁的一端连接，所述第二运算放大器U₂的输出端分别与所述电容C₁的另一端以及所述第一模拟乘法器A₁的另一输入端X连接，所述第二运算放大器U₂的同相输入端接地；

所述第三运算放大器U₃的反相输入端与所述电阻R₃的一端连接，所述第三运算放大器U₃的同相输入端接地；

所述电阻R₃的另一端分别与所述第一模拟乘法器的输出端及所述电阻R₂的一端连接；

其中，所述忆阻器等效电路等效于所述忆阻器的一端为所述电阻R₂的另一端，及等效于所述忆阻器的另一端为所述第一运算放大器U₁的同相输入端;以及所述第三运算放大器U₃的型号为AD844。

本方案进一步的，所述求和电路包括运算放大器U及反馈电阻R；所述运算放大器的反向输入端通过反馈电阻与所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的同相输入端接地；

其中所述求和电路的输入端为所述运算放大器的反向输入端。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：本实用新型采用具有记忆特性的时变电阻—忆阻器作为PID增益自适应调节手段，使得电路结构简单，成本低，精度高，高智能化，控制器参数能够在线自动调整，响应速度快，具有较强的实用性；进一步的本实用新型可以控制机理复杂，具有高度非线性、时变性以及不确定性等特点的工业被控对象。

附图说明

图1为本实用新型基于忆阻器的单神经元PID控制器电路的结构图；

图2为本实用新型忆阻器等效电路的结构图；

图3为本实用新型忆阻器等效电路在正弦激励信号下的伏安特性曲线；

图4为本实用新型基于忆阻器的单神经元PID控制器的实际电路图；

图5（a）和图5（b）为本实用新型所述的一种基于忆阻器的单神经元PID控制器的实施例电路的仿真曲线；其中图5（a）是正弦信号跟踪曲线；图5（b）是跟踪误差曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本实用新型技术方案采用具有记忆特性的时变电阻—忆阻器作为PID增益自适应调节手段，提供了一种基于忆阻器的单神经元PID控制系统；如图1所示，该控制系统包括：信号转换模块1、单神经元PID控制器2、控制对象3、测量模块4和比较环节5；信号转换模块1连接单神经元PID控制器2，单神经元PID控制器2连接控制对象3，在通过测量模块4连接到比较环节5，最后连接信号转换模块1形成一个闭环回路；

信号转换模块的输入信号为误差信号e，输出信号分别是误差比例信号x₁、误差积分信号x₂和误差微分信号x₃；

单神经元PID控制器2包括：第一忆阻器M₁、第二忆阻器M₂、第三忆阻器M₃以及求和电路；求和电路包括反馈电阻R和运算放大器U；

第一忆阻器M₁的a₁端与误差比例信号x₁连接，b₁端分别与反馈电阻R的一端和运算放大器U的反相输入端连接；第二忆阻器M₂的a₂端与误差积分信号x₂连接，b₂端分别与反馈电阻R的一端和运算放大器U的反相输入端连接；第三忆阻器M₃的a₃端与误差微分信号x₃连接，b₃端分别与反馈电阻R的一端和运算放大器U的反相输入端连接；反馈电阻R的另一端与运算放大器U的输出端连接；运算放大器U的同相输入端接地以及输出端连接控制对象。

图1中单神经元PID控制器2的输入变量x_i(t)分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)=e\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)=\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}\\ x_3\left(t\right)=\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

（1）式中e(t)=r(t)-y(t)表示实际输出与期望值的误差；运算放大器U的输入输出关系为：

$x_1{W}_1+x_2{W}_2+x_3{W}_3=\frac{u}{R}---\left(2\right)$

磁控式忆阻器的忆导与磁通φ的关系为，因此有

$u=-R(x_1{\mathrm{\α}}_1\∫x_1\mathrm{dt}+x_2{\mathrm{\α}}_2\∫x_2\mathrm{dt}+x_3{\mathrm{\α}}_3{\∫x}_3\mathrm{dt})=-R\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{W}_i---\left(3\right)$

式（3）中W_i是采用无监督Hebb规则进行调节的权值，从而单神经元PID控制器2的PID参数能够自适应调整，实现了单神经元PID控制器的功能。

进一步如图2所示，因忆阻器现以电路模拟模型居多，因此引进忆阻器等效电路来进行实验验证本发明技术方案可以实现，忆阻器等效电路包括：电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电容C₁、第一运算放大器U₁、第二运算放大器U₂、第三运算放大器U₃以及第一模拟乘法器A₁；

第一运算放大器U₁的同相输入端分别与第一模拟法器A₁的一个乘数输入端Y以及所述第三运算放大器U₃的TZ端连接，第一运算放大器U₁的输出端分别与述电阻R₁的一端及第一运算放大器U₁的反相输入端连接；

第二运算放大器U₂的反相输入端分别与电阻R₁的另一端及电容C₁的一端连接，第二运算放大器U₂的输出端分别与电容C₁的另一端以及第一模拟乘法器A₁的另一输入端X连接，第二运算放大器U₂的同相输入端接地；

第三运算放大器U₃的反相输入端与电阻R₃的一端连接，第三运算放大器U₃的同相输入端接地；电阻R₃的另一端分别与第一模拟乘法器的输出端及电阻R₂的一端连接；

其中，忆阻器等效电路等效于忆阻器的b_i（i=1,2,3）端为电阻R₂的另一端，及等效于忆阻器的另a_i（i=1,2,3）端为第一运算放大器U₁的同相输入端，第三运算放大器U₃采用型号为AD844的运算放大器，第一、第二运算放大器为一般运算放大器。

取R₂=R₃，则图2中忆阻器等效电路的伏安关系为：

$i=-\frac{\mathrm{kv}}{R_1{R}_2{C}_1}\∫\mathrm{vdt}---\left(4\right)$

式（4）中k是模拟乘法器A₁的增益系数。由此可得忆阻器等效电路的电导为：

式中 $\mathrm{\α}=-\frac{k}{R_1{R}_2{C}_1}.$

图3是忆阻器等效电路的伏安特性曲线；在外加正弦激励信号作用下，该电路的伏安特性曲线呈现出明显的滞回特性，与惠普实验室提出的忆阻器具有相似的特性。

进一步如图4所示，将忆阻器等效电路接入如图1所示基于忆阻器的单神经元PID控制器，第一忆阻器为第一忆阻器等效电路，第二忆阻器为第二忆阻器等效电路，第三忆阻器为第三忆阻器等效电路，第一忆阻器等效电路的a₁端连接信号转换模块的误差比例信号x₁，b₁端分别与反馈电阻R的一端和运算放大器U的反相输入端连接；第二忆阻器等效电路的a₂端与误差积分信号x₂连接，b₂端与运算放大器U的反相输入端连接；第三忆阻器等效电路的a₃端与误差微分信号x₃连接，b₃端与运算放大器U的反相输入端连接；以及将基于忆阻器的单神经元PID控制器用于控制二阶系统中，运算放大器U的输出端连接控制对象3，再通过测量模块4连接到比较环节5，以及通过比较环节5再回到信号转换模块1形成一个闭环回路，对上述闭环回路进行仿真，图5（a）和图5（b）是跟踪给定参考正弦信号的仿真曲线。其中图5（a）分别是给定参考正弦信号r(t)和输出信号y(t)，二者几乎重合；图5（b）是跟踪误差曲线e(t)。结果表明在所述的基于忆阻器的单神经元PID控制器控制下的系统跟踪误差很小，实现了对控制信号的跟踪，具有较好的动态特性和静态特性。

因此，通过理论及实验的结合论证，将具有记忆特性的时变电阻——忆阻器作为PID增益自适应调节手段的控制器电路，相比于一般的单神经元PID控制器，具有更高的控制精度，可以较好的实现单神经元PID控制器的性能优点。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于忆阻器的单神经元PID控制器，其特征在于，包括：第一忆阻器M₁、第二忆阻器M₂、第三忆阻器M₃以及求和电路；

其中，所述第一忆阻器M₁、所述第二忆阻器M₂以及所述第三忆阻器M₃的一端分别与所述求和电路输入端连接。

2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，还包括信号转换模块，所述信号转换模块输出的误差比例信号x₁、误差积分信号x₂以及误差微分信号x₃分别与所述第一忆阻器M₁、所述第二忆阻器M₂以及所述第三忆阻器M₃的另一端连接。

3.根据权利要求1或2所述的控制器，其特征在于，将所述第一忆阻器、所述第二忆阻器以及所述第三忆阻器分别等效于忆阻器等效电路，所述忆阻器等效电路包括：电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电容C₁、第一运算放大器U₁、第二运算放大器U₂、第三运算放大器U₃以及第一模拟乘法器A₁；

所述第一运算放大器U₁的同相输入端分别与所述第一模拟法器A₁的一个乘数输入端Y以及所述第三运算放大器U₃的TZ端连接，所述第一运算放大器U₁的输出端分别与所述电阻R₁的一端及所述第一运算放大器U₁的反相输入端连接；

所述第二运算放大器U₂的反相输入端分别与所述电阻R₁的另一端及所述电容C₁的一端连接，所述第二运算放大器U₂的输出端分别与所述电容C₁的另一端以及所述第一模拟乘法器A₁的另一输入端X连接，所述第二运算放大器U₂的同相输入端接地；

所述第三运算放大器U₃的反相输入端与所述电阻R₃的一端连接，所述第三运算放大器U₃的同相输入端接地；

所述电阻R₃的另一端分别与所述第一模拟乘法器的输出端及所述电阻R₂的一端连接；

其中，所述忆阻器等效电路等效于所述忆阻器的一端为所述电阻R₂的另一端，及等效于所述忆阻器的另一端为所述第一运算放大器U₁的同相输入端;以及所述第三运算放大器U₃的型号为AD844。

4.根据权利要求1或2所述的控制器，其特征在于，所述求和电路包括运算放大器U及反馈电阻R；所述运算放大器的反向输入端通过反馈电阻与所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的同相输入端接地；

其中所述求和电路的输入端为所述运算放大器的反向输入端。