專利名稱：一種基于雙網(wǎng)絡(luò)的雙遞歸神經(jīng)元靈敏負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)建模裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化領(lǐng)域，特別涉及一種基于雙網(wǎng)絡(luò)的雙遞歸神經(jīng)元靈敏負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)建模裝置及方法。

背景技術(shù)：
我國(guó)現(xiàn)階段用電狀況緊張，空調(diào)和熱水器類的靈敏負(fù)荷耗電量大，傳統(tǒng)的負(fù)荷控制通過(guò)限制靈敏負(fù)荷的使用，來(lái)改善負(fù)荷曲線。這種調(diào)節(jié)方式限制了靈敏負(fù)荷的使用數(shù)量，特別在用電高峰，靈敏負(fù)荷的使用數(shù)量更會(huì)減少，這給居民生活帶來(lái)了極大的不便。


發(fā)明內(nèi)容
負(fù)荷管理一直是電力需求側(cè)管理的主要內(nèi)容，負(fù)荷管理技術(shù)的研究對(duì)電力負(fù)荷管理工作的開(kāi)展有著重要影響，本發(fā)明提供一種基于雙網(wǎng)絡(luò)的雙遞歸神經(jīng)元靈敏負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)建模裝置及方法，通過(guò)雙網(wǎng)絡(luò)的連接，數(shù)據(jù)傳輸速度快，不易丟失，網(wǎng)絡(luò)安全可靠性及穩(wěn)定性，對(duì)靈敏負(fù)荷進(jìn)行合理有效的數(shù)據(jù)傳輸及管理，使負(fù)荷管理效率提高，控制準(zhǔn)確。雙層建模方法，閉環(huán)控制，使負(fù)荷管理調(diào)整方便快捷，達(dá)到最優(yōu)控制的目的。
該裝置包括數(shù)據(jù)采集建模系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和上位機(jī)，數(shù)據(jù)采集建模系統(tǒng)包括DSP芯片、電源電路、倍頻電路和信號(hào)交流采樣電路，電源電路的輸出端連接DSP芯片，倍頻電路的鎖相環(huán)和分頻器連接DSP芯片，信號(hào)交流采樣電路輸入端連接靈敏負(fù)荷，輸出端連接DSP芯片；通訊系統(tǒng)包括集線器、串行通信電路紅外發(fā)射電路和以太網(wǎng)通信電路，DSP芯片TX引腳分別連接串行通信電路的TX端口、紅外發(fā)射電路的TX端口和以太網(wǎng)通信電路，串行通信電路RX端口通過(guò)串行線分別連接第一集線器和第二集線器的輸入端口，紅外發(fā)射電路的紅外發(fā)射接口分別連接第一集線器和第二集線器的輸入端口，以太網(wǎng)通信電路通過(guò)雙絞線或光纜分別連接第一集線器和第二集線器的輸入端口，第一集線器和第二集線器連接上位機(jī)。
第一集線器和第二集線器通過(guò)超五類線連接上位機(jī)。
該裝置的建模方法，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模程序模塊通過(guò)三層的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的系統(tǒng)的逼近，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層到隱含層的變換是線性的，其作用是將輸入所組成的向量在隱含層基函數(shù)系中分解，或者說(shuō)將輸入映射到高維或者低維的隱含層空間。隱含層的隱含節(jié)點(diǎn)的激活函數(shù)就是徑向基函數(shù)φ(i)，它是一種局部分布的關(guān)于中心點(diǎn)對(duì)稱的非線性函數(shù)。當(dāng)輸入信號(hào)靠近隱含層神經(jīng)元的徑向基函數(shù)的中心范圍時(shí)，隱含層的神經(jīng)元將產(chǎn)生較大的局部化響應(yīng)。徑向基函數(shù)常采用高斯核函數(shù)(Gaussian Kernel Function)。而RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出是對(duì)隱含層的輸出進(jìn)行線性加權(quán)后得到的結(jié)果，在DSP芯片和上位機(jī)中雙層建模過(guò)程步驟如下 步驟一、在輸入層輸入采樣數(shù)據(jù)樣本； 步驟二、在中間層計(jì)算輸入與高斯函數(shù)距離，將計(jì)算的距離存入DSP芯片； 步驟三、進(jìn)行雙曲函數(shù)噪聲限制變換，變換結(jié)果存入DSP芯片； 步驟四、在輸出層修正訓(xùn)練參數(shù)； 步驟五、輸出誤差函數(shù)E，通過(guò)通訊系統(tǒng)傳至上位機(jī)，顯示變化曲線； 步驟六、計(jì)算參數(shù)形式，反復(fù)修正，使輸出達(dá)到要求效果； 步驟七、判斷誤差函數(shù)E，如果誤差函數(shù)E達(dá)到要求范圍，則進(jìn)入步驟八；否則返回步驟一； 步驟八、結(jié)束。
所述的步驟一方法為初始化c，w，β，其中c為基函數(shù)的中心，w為輸出單元的權(quán)值，β為正規(guī)化參數(shù)，將傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)采集電路傳入DSP芯片的I/O口； 所述的步驟二方法為在中間層利用公式‖(X-Ci)‖計(jì)算輸入與高斯函數(shù)距離，式中Ci為基函數(shù)中心點(diǎn)，X＝(x1，x2，..)T為輸入向量，將計(jì)算的距離存入DSP芯片內(nèi)部的FLASH； 所述的步驟三方法為利用公式(1.2)進(jìn)行雙曲函數(shù)噪聲限制變換， gi(·)為高斯核函數(shù)；tanh(·)為雙曲函數(shù)；‖·‖為歐氏范數(shù)；βi＝2bi成為正規(guī)化參數(shù)；bi為系統(tǒng)激活函數(shù)，Ci為基函數(shù)中心點(diǎn)，X＝(x1，x2，...)T為輸入向量；Np為隱含層基函數(shù)的個(gè)數(shù)，φi(X)為第i個(gè)隱含節(jié)點(diǎn)的輸出，變換結(jié)果存入DSP內(nèi)部的FLASH； 所述的步驟四方法為在輸出層修正訓(xùn)練參數(shù)c，w，β 所述的步驟五方法為輸出誤差函數(shù)E，式中dk為網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)輸出；yk為網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出值，K為樣本個(gè)數(shù)； 所述的步驟六方法為利用公式(1.4)、(1.5)、(1.6)分別計(jì)算參數(shù)形式W(k+1)C(k+1)β(k+1)，其中C(k+1)為c參數(shù)的向量形式，W(k+1)為w參數(shù)的向量形式，β(k+1)為β參數(shù)的向量形式，反復(fù)修正，使其輸出達(dá)到理想效果， 式中η(k)為學(xué)習(xí)率；α為動(dòng)量因子，K為樣本個(gè)數(shù)； 本發(fā)明通信網(wǎng)絡(luò)包括串行通信，以太網(wǎng)通信，紅外，實(shí)現(xiàn)多種通信方式連接第一集線器和第二集線器上實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)絡(luò)的連接，數(shù)據(jù)傳輸速度快，不易丟失，網(wǎng)絡(luò)安全可靠性及穩(wěn)定性，對(duì)靈敏負(fù)荷進(jìn)行合理有效的數(shù)據(jù)傳輸及管理，使負(fù)荷管理效率提高，控制準(zhǔn)確。雙層建模方法，閉環(huán)控制，使負(fù)荷管理調(diào)整方便快捷，達(dá)到最優(yōu)控制的目的。



圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖 圖2本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3DSPIC30F6014數(shù)字信號(hào)控制器結(jié)構(gòu)圖； 圖4(a)交流采樣通道原理圖； 圖4(b)直流采樣通道原理圖； 圖5本發(fā)明串口通信原理圖； 圖6(a)本發(fā)明紅外發(fā)射原理圖； 圖6(b)本發(fā)明紅外接收原理圖； 圖7本發(fā)明中以太網(wǎng)控制器電路原理圖； 圖8本發(fā)明RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模流程圖； 圖9RBF網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)結(jié)果； 圖10RBF誤差變化曲線。
具體實(shí)施方法 本發(fā)明以沈陽(yáng)市和平區(qū)部分寫(xiě)字間大廈中央空調(diào)靈敏負(fù)荷控制為例進(jìn)行說(shuō)明，針對(duì)空調(diào)、熱水器為代表的一類重要的靈敏負(fù)荷，采用DSPIC30F單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)遞歸神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對(duì)單個(gè)負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，把地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳至上位機(jī)服務(wù)器，再由服務(wù)器對(duì)全網(wǎng)的靈敏負(fù)荷進(jìn)行建模，進(jìn)而優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)雙遞歸神經(jīng)元靈敏負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)控制，然后將控制命令傳至下位機(jī)(數(shù)據(jù)采集建模裝置)，實(shí)現(xiàn)對(duì)靈敏負(fù)荷設(shè)備的控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示，依據(jù)本發(fā)明的方法，在需要進(jìn)行靈敏負(fù)荷控制的寫(xiě)字間大廈的中央空調(diào)控制室安放靈敏負(fù)荷通訊控制器并與中央空調(diào)主控制器臺(tái)相連，總計(jì)選取1000處中央空調(diào)為靈敏負(fù)荷，溫度為控制參數(shù)，1000套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷溫度進(jìn)行采集。調(diào)度中心系統(tǒng)由兩臺(tái)計(jì)算機(jī)工作站構(gòu)成，它擁有主機(jī)、網(wǎng)卡、顯示器、音箱(或蜂鳴器)、打印機(jī)、鍵盤鼠標(biāo)等等設(shè)施。計(jì)算機(jī)內(nèi)能夠顯示當(dāng)前的系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)和靈敏負(fù)荷設(shè)備實(shí)時(shí)曲線等，并可以把各種重要參數(shù)寫(xiě)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，以備事后查詢。
靈敏負(fù)荷通訊控制器將采集到的溫度參數(shù)傳送到本發(fā)明裝置，該裝置如圖2所示包括數(shù)據(jù)采集建模系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和上位機(jī)，數(shù)據(jù)采集建模系統(tǒng)包括DSP芯片、電源電路、倍頻電路和信號(hào)交流采樣電路，電源電路的輸出端連接DSP，倍頻電路的鎖相環(huán)和分頻器連接DSP，信號(hào)交流采樣電路輸入端連接靈敏負(fù)荷，輸出端連接DSP芯片；通訊系統(tǒng)包括集線器、串行通信電路、紅外發(fā)射電路和以太網(wǎng)通信電路，其中串行通信電路包括串口通訊芯片MAX3232和串口接口，以太網(wǎng)通信電路包括以太網(wǎng)通訊控制器ENC28J60及接口。DSP芯片TX引腳分別連接串行通信電路的TX端口、紅外發(fā)射電路的TX端口和以太網(wǎng)通信電路，串行通信電路RX端口通過(guò)串行線分別連接第一集線器和第二集線器的輸入端口，紅外發(fā)射電路的紅外發(fā)射接口分別連接第一集線器和第二集線器的輸入端口，以太網(wǎng)通信電路通過(guò)雙絞線或光纜分別連接第一集線器和第二集線器的輸入端口，第一集線器和第二集線器連接上位機(jī)。
第一集線器和第二集線器通過(guò)超五類線連接上位機(jī)。
DSP芯片通過(guò)軟件程序?qū)⒉杉瘉?lái)的數(shù)據(jù)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，再經(jīng)雙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)把建模后的數(shù)據(jù)傳至上位PC機(jī)，上位機(jī)內(nèi)依然用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次建模，通過(guò)運(yùn)用優(yōu)化算法，充分合理的對(duì)溫度進(jìn)行控制。對(duì)于靈敏負(fù)荷控制器采集反饋的信息，進(jìn)行分析，并根據(jù)全網(wǎng)絡(luò)的情況進(jìn)行調(diào)度，決定如何調(diào)配靈敏負(fù)荷的容量，達(dá)到溫度管理的平衡。通過(guò)分析和仿真，RBF網(wǎng)絡(luò)對(duì)于系統(tǒng)的溫度平衡控制具有較為理想的效果，具有較強(qiáng)的看干擾能力，特別是對(duì)于系統(tǒng)中的微弱信號(hào)的檢測(cè)具有極強(qiáng)的能力，RBF對(duì)于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的故障診斷也具有較好的性能。利用RBF網(wǎng)絡(luò)完成實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)1000個(gè)數(shù)據(jù)故障診斷的時(shí)間約為50秒。RBF幾乎對(duì)于數(shù)據(jù)混亂程度的依賴度較低，所以應(yīng)用范圍更為廣泛。
DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，包括溫度，功率等模擬量或其他數(shù)字量，通過(guò)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對(duì)單個(gè)負(fù)荷進(jìn)行建模，經(jīng)通信電路傳至上位服務(wù)器，服務(wù)器應(yīng)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在對(duì)上傳的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，進(jìn)而優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)雙遞歸神經(jīng)元靈敏負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)控制。
數(shù)據(jù)采集建模系統(tǒng)采集外界數(shù)據(jù)，數(shù)字量或模擬量等，通過(guò)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對(duì)單個(gè)負(fù)荷建立模型，經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)將模型發(fā)送到上位服務(wù)器或是接收來(lái)自上位服務(wù)器的優(yōu)化控制。
DSPIC30F4014數(shù)字信號(hào)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示 系統(tǒng)中需要電源供電的芯片為DSPIC30F4014及MAX232，兩個(gè)芯片都需要穩(wěn)定的5V直流電源供電，我們的想法是將電網(wǎng)中的220V交流電壓整流、穩(wěn)壓，形成穩(wěn)定的5V直流電源供給驅(qū)動(dòng)芯片。所以我們選取的電源模塊是由南京欣博達(dá)電源科技有限公司生產(chǎn)的欣博達(dá)AC/DC系列模塊電源。
本發(fā)明信號(hào)交流采樣電路如圖4(a)所示，溫度傳感器中的一路輸出與運(yùn)算放大器AMP1A的同相輸入端相連，AMP1A的反相輸入端與其輸出端相連，AMP1A的輸出端通過(guò)電阻R1與運(yùn)算放大器AMP1B的反向輸入端相連，AMP1B的輸出端通過(guò)電阻R7與運(yùn)算放大器AMP1C的反向輸入端相連，AMP1C的輸出端通過(guò)電阻R10與DsPIC30F4014的AD轉(zhuǎn)換模塊相連。直流采樣如圖4(b)，直流采樣值通過(guò)電阻RA97與運(yùn)算放大器AMP7C的同相輸入端相連，AMP7C反相輸入端與其輸出端相連，AMP7C的輸出端通過(guò)RA98與與運(yùn)算放大器AMP7D的反相輸入端相連，AMP7D的同相輸入端與輸出端之間有電容、可調(diào)電阻的并聯(lián)電路，AMP7D的輸出端通過(guò)電阻RA101輸出信號(hào)到DsPIC30F4014的AD轉(zhuǎn)換模塊。
本發(fā)明串行通信電路如圖5所示，調(diào)整、保護(hù)控制組合要求能夠與PC機(jī)通信，以改變?cè)O(shè)定參數(shù)或者觀察運(yùn)行狀態(tài)和故障記錄。利用PC機(jī)配置的串口，可以很方便的實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與DSPIC30F6014的串行通信，由于DSPIC30F6014的輸入、輸出電平為TTL電平，而PC機(jī)配置的是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口，兩者電氣規(guī)范不一致。要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與DSPIC30F6014的串行通信，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，這里采用了MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，MAX232將DSPIC30F6014中TX輸出的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-232C電平，再輸入到PC機(jī)，并將PC機(jī)輸出的RS-232C電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL電平輸出到DSPIC30F6014的RX引腳。
本發(fā)明紅外發(fā)射電路如圖6(a)所示，紅外發(fā)射是利用DSPIC30F系列的的串行數(shù)據(jù)發(fā)送口TX控制驅(qū)動(dòng)三極管BG1進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”和“1”的傳輸，以及利用T1控制驅(qū)動(dòng)三極管BG2進(jìn)行高頻38.4kHz調(diào)制，從而可靠地實(shí)現(xiàn)了紅外發(fā)射管D1在傳輸數(shù)據(jù)“0”時(shí)進(jìn)行高頻紅外發(fā)射和數(shù)據(jù)“1”時(shí)被截止的發(fā)射功能。
紅外發(fā)光二極管SE303，管壓降約1.4v，工作電流一般小于20mA。為了適應(yīng)不同的工作電壓，回路中常常串有限流電阻。
8550是一種常用的普通三極管，是一種低電壓，大電流，小信號(hào)的PNP型硅三極管，特點(diǎn) 集電極-基極電壓Vcbo-40V 工作溫度-55℃～+150℃ 本發(fā)明紅外接收電路如圖6(b)所示，紅外接收電路選用Vishay公司生產(chǎn)的專用紅外接收模塊TSOP1738。該接收模塊是一個(gè)三端元件，使用單電源+5V電源，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、輸入靈敏度高、對(duì)其它波長(zhǎng)(950nm以外)的紅外光不敏感的特點(diǎn)。
參數(shù)說(shuō)明 紅外線無(wú)線傳輸，光模塊的PCM遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 距離(M)3500 Δθ(度)±45deg λP(納米)950 輸出的TTL/CMOS兼容 對(duì)于(赫茲)38kHz 電源電壓6Vmax 工作溫度-25℃～+85℃ TSOP1738的工作原理為首先，通過(guò)紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38kHz的脈沖調(diào)制紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由前放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理。然后，通過(guò)帶通濾波器和進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)。最后，由輸出級(jí)電路進(jìn)行反向放大輸出。
為保證紅外接收模塊TSOP1738接收的準(zhǔn)確性，要求發(fā)送端載波信號(hào)的頻率應(yīng)盡可能接近38kHz，因此在設(shè)計(jì)脈沖振蕩器時(shí)，要選用精密元件并保證電源電壓穩(wěn)定。再有，發(fā)送的數(shù)位“0”至少要對(duì)應(yīng)14個(gè)載波脈沖，這就要求傳送的波特率不能超過(guò)2400bps。利用上述紅外收發(fā)電路構(gòu)成的紅外信道最大通信距離為8m。
本發(fā)明以太網(wǎng)通信電路如圖7所示，數(shù)字信號(hào)控制器DSPIC30F6014和以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60之間通過(guò)SPI接口通信，ENC28J60與DSPIC30F6014通過(guò)7根線連接，分別是SDI、SDO、SCK接單片機(jī)的SPI口、RESET接單片機(jī)的I/O口，由單片機(jī)控制復(fù)位，CS接I/O口，是ENC28J60的片選端口，INT、WOL接INT3、INT4。采用MicroChip公司生產(chǎn)的ENC28J60作為以太網(wǎng)控制器，它遵循IEEE802.3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，成本低，易于組網(wǎng)，技術(shù)支持廣泛。同時(shí)采用具有隔離變壓器作用的RJ45插座，簡(jiǎn)化了單片機(jī)與以太網(wǎng)控制器的聯(lián)接電路。
神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)建模模塊； 流程圖如圖8所示，徑向基函數(shù)(Radial Basis Function，RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種常用的三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣，三層的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的系統(tǒng)的逼近。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層到隱含層的變換是線性的，其作用是將輸入所組成的向量在隱含層基函數(shù)系中分解，或者說(shuō)將輸入映射到高維或者低維的隱含層空間。但是一般說(shuō)來(lái)映射到比輸入更高維的空間或者至少相等維空間能夠得到更好的效果。隱含層的隱含節(jié)點(diǎn)的激活函數(shù)就是徑向基函數(shù)φ(i)，它是一種局部分布的關(guān)于中心點(diǎn)對(duì)稱的非線性函數(shù)。當(dāng)輸入信號(hào)靠近隱含層神經(jīng)元的徑向基函數(shù)的中心范圍時(shí)，隱含層的神經(jīng)元將產(chǎn)生較大的局部化響應(yīng)。徑向基函數(shù)常采用高斯核函數(shù)(Gaussian Kernel Function)。串接雙曲函數(shù)(tanh)，其作用對(duì)噪聲進(jìn)行干擾抑制。而RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出是對(duì)隱含層的輸出進(jìn)行線性加權(quán)后得到的結(jié)果。RBF網(wǎng)絡(luò)輸出可以表示為 其中，X＝(x1，x2，...)T為輸入向量；Np為隱含層基函數(shù)的個(gè)數(shù)；wi為輸出層和隱含層第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)重；φ(·)為徑向基函數(shù)。如果徑向基函數(shù)選為高斯核函數(shù)，那么隱含層的輸出有 式中g(shù)i(·)為高斯核函數(shù)；tanh(·)為雙曲函數(shù)；‖·‖為歐氏范數(shù)；βi＝2bi成為正規(guī)化參數(shù)；bi為系統(tǒng)激活函數(shù)；φi(X)為第i個(gè)隱含節(jié)點(diǎn)的輸出，Ci為基函數(shù)中心點(diǎn)。
通過(guò)式(1.2)可以看到輸入信號(hào)與高斯核函數(shù)數(shù)據(jù)中心距離越近，隱含節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)越大，導(dǎo)致輸出也就越大。高斯核函數(shù)是徑向?qū)ΨQ的，所以對(duì)于與基函數(shù)中心點(diǎn)Ci的徑向距離相同的輸入，隱含節(jié)點(diǎn)的輸出是相同的。一般為了網(wǎng)絡(luò)有更好的輸入輸出特性，通常將隱含節(jié)點(diǎn)的輸出進(jìn)行歸一化處理。
RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中要訓(xùn)練的參數(shù)有3個(gè)，即各個(gè)基函數(shù)的中心、正規(guī)化參數(shù)以及輸出單元的權(quán)值。網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)訓(xùn)練方法有很多種，各種算法的目的是使期望輸出和實(shí)際輸出之間的誤差函數(shù)E達(dá)到最小。誤差函數(shù)E可以根據(jù)實(shí)際情況選擇，常取期望和實(shí)際輸出的方差作為訓(xùn)練目標(biāo)函數(shù)。例如有K個(gè)樣本，則網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的目標(biāo)為 式中dk為網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)輸出；yk為網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出值 三個(gè)參數(shù)的計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)算法常用以下形式其中C(k+1)為c參數(shù)的向量形式，W(k+1)為w參數(shù)的向量形式，β(k+1)為β參數(shù)的向量形式； 式中η(k)為學(xué)習(xí)率；α為動(dòng)量因子。
該裝置的建模方法，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模程序模塊通過(guò)三層的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的系統(tǒng)的逼近，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層到隱含層的變換是線性的，其作用是將輸入所組成的向量在隱含層基函數(shù)系中分解，或者說(shuō)將輸入映射到高維或者低維的隱含層空間。隱含層的隱含節(jié)點(diǎn)的激活函數(shù)就是徑向基函數(shù)φ(i)，它是一種局部分布的關(guān)于中心點(diǎn)對(duì)稱的非線性函數(shù)。當(dāng)輸入信號(hào)靠近隱含層神經(jīng)元的徑向基函數(shù)的中心范圍時(shí)，隱含層的神經(jīng)元將產(chǎn)生較大的局部化響應(yīng)。徑向基函數(shù)常采用高斯核函數(shù)(Gaussian Kernel Function)。采樣時(shí)間間隔Δt＝25ms，采樣點(diǎn)數(shù)N＝200。取脈沖信號(hào)(由實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)量原理選定)和實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)文件(縮小600倍)為樣本對(duì)RBF網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。而RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出是對(duì)隱含層的輸出進(jìn)行線性加權(quán)后得到的結(jié)果在DSP芯片和上位機(jī)中雙層建模過(guò)程步驟如下 步驟一、在輸入層輸入采樣數(shù)據(jù)樣本； 步驟二、在中間層計(jì)算輸入與高斯函數(shù)距離，將計(jì)算的距離存入DSP芯片； 步驟三、進(jìn)行雙曲函數(shù)噪聲限制變換，變換結(jié)果存入DSP芯片； 步驟四、在輸出層修正訓(xùn)練參數(shù)； 步驟五、輸出誤差函數(shù)E，通過(guò)通訊系統(tǒng)傳至上位機(jī)，顯示變化曲線； 步驟六、計(jì)算參數(shù)形式，反復(fù)修正，使輸出達(dá)到要求效果； 步驟七、判斷誤差函數(shù)E，如果誤差函數(shù)E達(dá)到10-5，則進(jìn)入步驟八；否則返回步驟二； 步驟八、結(jié)束。
所述的步驟一方法為初始化c，w，β，令c＝12，β＝0.3，w＝2.39，其中c為基函數(shù)的中心，w為輸出單元的權(quán)值，β為正規(guī)化參數(shù)，將傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)采集電路傳入DSP芯片的I/O口； 所述的步驟二方法為在中間層利用公式‖(X-Ci)‖計(jì)算輸入與高斯函數(shù)距離，式中Ci為基函數(shù)中心點(diǎn)，X＝(x1，x2，...)T為輸入向量，將計(jì)算的距離存入DSP芯片內(nèi)部的FLASH； 所述的步驟三方法為利用公式(1.2)進(jìn)行雙曲函數(shù)噪聲限制變換， gi(·)為高斯核函數(shù)；tanh(·)為雙曲函數(shù)；‖·‖為歐氏范數(shù)；βi＝2bi成為正規(guī)化參數(shù)；bi為系統(tǒng)激活函數(shù)，Ci為基函數(shù)中心點(diǎn)，X＝(x1，x2，...)T為輸入向量；Np為隱含層基函數(shù)的個(gè)數(shù)，φi(X)為第i個(gè)隱含節(jié)點(diǎn)的輸出，變換結(jié)果存入DSP內(nèi)部的FLASH； 所述的步驟四方法為在輸出層修正訓(xùn)練參數(shù)c，w，β。
所述的步驟五方法為輸出誤差函數(shù)E，式中dk為網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)輸出；yk為網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出值，K為樣本個(gè)數(shù)； 所述的步驟六方法為利用公式(1.4)、(1.5)、(1.6)分別計(jì)算參數(shù)形式W(k+1)C(k+1)β(k+1)，其中C(k+1)為c參數(shù)的向量形式，W(k+1)為w參數(shù)的向量形式，β(k+1)為β參數(shù)的向量形式，反復(fù)修正，使其輸出達(dá)到理想效果， 式中η(k)為學(xué)習(xí)率；α為動(dòng)量因子，K為樣本個(gè)數(shù)； 上位機(jī)通過(guò)運(yùn)用優(yōu)化算法，充分合理的對(duì)靈敏負(fù)荷進(jìn)行控制。對(duì)于靈敏負(fù)荷控制器采集反饋的信息，進(jìn)行分析，并根據(jù)全網(wǎng)絡(luò)的情況進(jìn)行調(diào)度，決定如何調(diào)配靈敏負(fù)荷的容量，達(dá)到負(fù)荷管理的平衡。
圖9給出了RBF網(wǎng)絡(luò)的辨識(shí)曲線，其中—代表實(shí)驗(yàn)測(cè)量曲線，*代表網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)曲線。
圖10網(wǎng)絡(luò)誤差隨訓(xùn)練次數(shù)變化的曲線，當(dāng)經(jīng)過(guò)75步的迭代學(xué)習(xí)后，其均方誤差減小到0.00001以下，由辨識(shí)曲線和實(shí)測(cè)曲線比較可見(jiàn)，辨識(shí)精度是令人滿意的。
權(quán)利要求
1、一種基于雙網(wǎng)絡(luò)的雙遞歸神經(jīng)元靈敏負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)建模裝置，包括數(shù)據(jù)采集建模系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和上位機(jī)，數(shù)據(jù)采集建模系統(tǒng)包括DSP芯片、電源電路、倍頻電路和信號(hào)交流采樣電路，電源電路的輸出端連接DSP芯片，倍頻電路的鎖相環(huán)和分頻器連接DSP芯片，信號(hào)交流采樣電路輸入端連接靈敏負(fù)荷，輸出端連接DSP芯片；通訊系統(tǒng)包括集線器、串行通信電路、紅外發(fā)射電路和以太網(wǎng)通信電路，DSP芯片TX引腳分別連接串行通信電路的TX端口、紅外發(fā)射電路的TX端口和以太網(wǎng)通信電路，將經(jīng)DSP芯片計(jì)算得到的模擬量傳入上位機(jī)，其特征在于串行通信電路RX端口通過(guò)串行線分別連接第一集線器和第二集線器的輸入端口，紅外發(fā)射電路的紅外發(fā)射接口分別連接第一集線器和第二集線器的輸入端口，以太網(wǎng)通信電路通過(guò)雙絞線或光纜分別連接第一集線器和第二集線器的輸入端口，第一集線器和第二集線器連接上位機(jī)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙網(wǎng)絡(luò)的雙遞歸神經(jīng)元靈敏負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)建模裝置，其特征在于第一集線器和第二集線器通過(guò)超五類線連接上位機(jī)。
3、權(quán)利要求1所述的基于雙網(wǎng)絡(luò)的雙遞歸神經(jīng)元靈敏負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)建模裝置的建模方法，其特征在于在DSP芯片和上位機(jī)中雙層建模過(guò)程步驟如下
步驟一、在輸入層輸入采樣數(shù)據(jù)樣本；
步驟二、在中間層計(jì)算輸入與高斯函數(shù)距離，將計(jì)算的距離存入DSP芯片；
步驟三、進(jìn)行雙曲函數(shù)噪聲限制變換，變換結(jié)果存入DSP芯片；
步驟四、在輸出層修正訓(xùn)練參數(shù)；
步驟五、輸出誤差函數(shù)E，通過(guò)通訊系統(tǒng)傳至上位機(jī)，顯示變化曲線；
步驟六、計(jì)算參數(shù)形式，反復(fù)修正，使輸出達(dá)到要求效果；
步驟七、判斷誤差函數(shù)E，如果誤差函數(shù)E達(dá)到要求范圍，則進(jìn)入步驟八；否則返回步驟一；
步驟八、結(jié)束。
4、權(quán)利要求3所述的基于雙網(wǎng)絡(luò)的雙遞歸神經(jīng)元靈敏負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)建模裝置的建模方法，其特征在于所述的步驟一方法為初始化c，w，β，其中c為基函數(shù)的中心，w為輸出單元的權(quán)值，β為正規(guī)化參數(shù)，將傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)采集電路傳入DSP芯片的I/O口。
5、權(quán)利要求3所述的基于雙網(wǎng)絡(luò)的雙遞歸神經(jīng)元靈敏負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)建模裝置的建模方法，其特征在于所述的步驟二方法為在中間層利用公式‖(X-Ci)‖計(jì)算輸入與高斯函數(shù)距離，式中Ci為基函數(shù)中心點(diǎn)，X＝(x1，x2，...)T為輸入向量，將計(jì)算的距離存入DSP芯片內(nèi)部的FLASH。
6、權(quán)利要求3所述的基于雙網(wǎng)絡(luò)的雙遞歸神經(jīng)元靈敏負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)建模裝置的建模方法，其特征在于所述的步驟三方法為利用公式(1.2)進(jìn)行雙曲函數(shù)噪聲限制變換。
gi(·)為高斯核函數(shù)；tanh(·)為雙曲函數(shù)；‖·‖為歐氏范數(shù)；βi＝2bi成為正規(guī)化參數(shù)；bi為系統(tǒng)激活函數(shù)，Ci為基函數(shù)中心點(diǎn)，X＝(x1，x2，...)T為輸入向量；Np為隱含層基函數(shù)的個(gè)數(shù)，φi(X)為第i個(gè)隱含節(jié)點(diǎn)的輸出，變換結(jié)果存入DSP內(nèi)部的FLASH。
7、權(quán)利要求3所述的基于雙網(wǎng)絡(luò)的雙遞歸神經(jīng)元靈敏負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)建模裝置的建模方法，其特征在于所述的步驟四方法為在輸出層修正訓(xùn)練參數(shù)c，w，β。
8、權(quán)利要求3所述的基于雙網(wǎng)絡(luò)的雙遞歸神經(jīng)元靈敏負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)建模裝置的建模方法，其特征在于所述的步驟五方法為輸出誤差函數(shù)E，式中dk為網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)輸出；yk為網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出值，K為樣本個(gè)數(shù)。
9、權(quán)利要求3所述的基于雙網(wǎng)絡(luò)的雙遞歸神經(jīng)元靈敏負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)建模裝置的建模方法，其特征在于所述的步驟六方法為利用公式(1.4)、(1.5)、(1.6)分別計(jì)算參數(shù)形式W(k+1)C(k+1)β(k+1)，其中C(k+1)為c參數(shù)的向量形式，W(k+1)為w參數(shù)的向量形式，β(k+1)為β參數(shù)的向量形式，反復(fù)修正，使其輸出達(dá)到理想效果，
式中η(k)為學(xué)習(xí)率；α為動(dòng)量因子，K為樣本個(gè)數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于雙網(wǎng)絡(luò)的雙遞歸神經(jīng)元靈敏負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)建模裝置及方法，包括數(shù)據(jù)采集建模系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和上位機(jī)，數(shù)據(jù)采集建模系統(tǒng)包括DSP芯片。在DSP芯片和上位機(jī)中雙層建模過(guò)程步驟如下一、在輸入層輸入采樣數(shù)據(jù)樣本；二、在中間層計(jì)算輸入與高斯函數(shù)距離；三、進(jìn)行雙曲函數(shù)噪聲限制變換；四、在輸出層修正訓(xùn)練參數(shù)；五、輸出誤差函數(shù)E；六、計(jì)算參數(shù)形式；七、判斷誤差函數(shù)E，是否達(dá)到要求范圍。本發(fā)明使數(shù)據(jù)傳輸速度快，不易丟失，網(wǎng)絡(luò)安全可靠性及穩(wěn)定性，對(duì)靈敏負(fù)荷進(jìn)行合理有效的數(shù)據(jù)傳輸及管理，使負(fù)荷管理效率提高，控制準(zhǔn)確。雙層建模方法，閉環(huán)控制，使負(fù)荷管理調(diào)整方便快捷，達(dá)到最優(yōu)控制的目的。
文檔編號(hào)H02J3/00GK101505058SQ20091001073
公開(kāi)日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月19日
發(fā)明者張化光, 楊東升, 李愛(ài)平, 閆士杰, 孫秋野, 王迎春, 琿 楊, 宋香榮, 萌 楊 申請(qǐng)人:東北大學(xué)