基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的真空度測量精度改善方法研究

2013-10-04 汪洪波 合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院

  針對真空度測量精度低的現(xiàn)狀,提出一種真空度測量精度改善方法。以熱偶規(guī)為研究對象,基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計真空度測量系統(tǒng)。通過設(shè)計BP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),采用三種不同的算法對網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進行訓(xùn)練,以獲得盡可能穩(wěn)定、精度更高的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。對三種算法由測試樣本進行測試,三種算法訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)能較大程度地提高真空度測量精度,受熱絲電流、熱絲冷阻干擾影響大大減。欢易钏傧陆捣▽(yīng)的網(wǎng)絡(luò)輸出值波動較大,附加動量法次之,自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率調(diào)整法對應(yīng)的輸出值波動最小,波動量小于0.01。

  目前真空測量的精度很低,一般會導(dǎo)致20%的誤差。提高真空測量的精度和速度一直是真空測量關(guān)注的重要內(nèi)容。提高真空測量的精度和速度可以通過改進規(guī)管結(jié)構(gòu)和真空計信號轉(zhuǎn)換電路兩方面來實現(xiàn)。真空規(guī)管結(jié)構(gòu)對真空測量的影響很大,不同的測量結(jié)構(gòu)對應(yīng)于不同的測量原理,導(dǎo)致不同的測量效果。在規(guī)管結(jié)構(gòu)確定下,如何改進真空計信號轉(zhuǎn)換電路的硬件和軟件是關(guān)鍵。本文提出一種處理算法能夠提高真空測量的精度,使得規(guī)管在外界加熱電流波動或熱絲冷阻發(fā)生變化時仍能輸出較精確的真空度測量值。

1、真空測量系統(tǒng)原理及框圖設(shè)計

  本系統(tǒng)以熱偶規(guī)ZJ-54D 為對象進行分析。熱偶規(guī)工作原理分析: 在熱偶規(guī)測量范圍內(nèi),真空度的變化僅與氣體熱傳導(dǎo)有關(guān),因此在熱絲加熱電流不變時,熱電偶的輸出電動勢僅與真空度有關(guān),根據(jù)熱電動勢與真空度之間對應(yīng)關(guān)系構(gòu)建特性曲線圖。假定規(guī)管的特性曲線準(zhǔn)確可靠,且不考慮油蒸汽、炭、粉塵的沾污影響。

  實際應(yīng)用中,熱絲的輸入電流會產(chǎn)生波動,從而偏離標(biāo)定電流,影響熱偶規(guī)的輸出電動勢。同時,由于環(huán)境溫度的變化,導(dǎo)致熱絲冷端電阻值發(fā)生相應(yīng)變化,也會對電動勢大小產(chǎn)生相應(yīng)影響。由于交叉干擾的存在,最終導(dǎo)致熱電動勢與壓強之間的關(guān)系偏離規(guī)管特性曲線,從而降低熱偶規(guī)的測量精度。本真空度測量系統(tǒng)以單個規(guī)管為對象,不涉及規(guī)管的零散性分析。

  為了消除熱絲電流的波動及熱絲冷阻的變化對真空度測量的影響,將加熱電流、熱絲冷阻和熱電動勢信號接入信息處理網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)輸入為3 個信號,其中U3 為被測熱電動勢的電壓輸出信號,U1、U2 為2個非目標(biāo)參量的檢測信號,網(wǎng)絡(luò)輸出的初始熱電動勢為Ec,根據(jù)熱電動勢和壓強之間的特性曲線求出被測壓強。輸出量Ec為被測熱電動勢的單值函數(shù),這樣可以消除加熱電流和熱絲冷阻2 個非目標(biāo)量的影響; 而且在加熱電流變化和熱絲冷阻波動的情況下,可使系統(tǒng)輸出Ec,以允許偏差逼近被測目標(biāo)量E,從而實現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)量測量精度的提高。

真空度測量系統(tǒng)框圖

圖1 真空度測量系統(tǒng)框圖

2、真空度測量系統(tǒng)BP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

  2.1、BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

  利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對被測信息進行分析處理,可以提高測量精度。從預(yù)測電動勢的角度出發(fā),首先確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)。本文采用3 層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以建立在不同加熱電流和熱絲冷阻條件下的電動勢預(yù)測模型,以達(dá)到提高測量精度的效果。輸入層節(jié)點數(shù)由輸入信號的個數(shù)確定即加熱電流、熱絲冷阻、熱電動勢,則輸入層節(jié)點數(shù)n = 3,中間層為隱節(jié)點層,輸出層為預(yù)測輸出的電動勢,則輸出層節(jié)點數(shù)m= 1,其真空度測量系統(tǒng)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

  隱含層節(jié)點數(shù)的選擇是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最為關(guān)鍵的步驟,本文采用試湊法確定最佳隱節(jié)點數(shù)。試湊法是確定最佳隱節(jié)數(shù)常用的方法,在用試湊法時,通過如下經(jīng)驗公式確定隱節(jié)點數(shù)

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的真空度測量精度改善方法研究

  式中,k 為隱層節(jié)點數(shù),n 為輸入層節(jié)點數(shù),m 為輸出層節(jié)點數(shù),A為1~ 10 之間的常數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗公式,先設(shè)置較少的隱節(jié)點訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),然后逐漸增加隱節(jié)點數(shù),采用同一樣本集中進行訓(xùn)練。由于網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)不同的樣本具有不同的誤差,以多對訓(xùn)練樣本中最大者Emax代表網(wǎng)絡(luò)的總誤差E ,也可用其均誤差根

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的真空度測量精度改善方法研究

  作為網(wǎng)絡(luò)的總誤差,從而確定網(wǎng)絡(luò)總誤差最小時對應(yīng)的隱節(jié)點數(shù)。隱層、輸出層的神經(jīng)元轉(zhuǎn)移函數(shù)采用Sigmoid 函數(shù),可避免神經(jīng)元的輸出進入飽和狀態(tài)。

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)圖

圖2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)圖

結(jié)論

  針對真空度測量精度不高的問題,本文基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了真空度測量數(shù)據(jù)的信息處理方法。通過設(shè)計BP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由實測樣本數(shù)據(jù)采用三種算法對網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進行訓(xùn)練,以獲得穩(wěn)定、精度更高的真空度測量BP 網(wǎng)絡(luò)。由測試數(shù)據(jù)檢驗,三種算法訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)較原測量數(shù)據(jù)的精度大大提高,受加熱電流和熱絲冷阻值變化的影響大大減弱; 同時,自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率調(diào)整法、附加動量法對應(yīng)的測量輸出數(shù)據(jù)波動量較最速下降法小,而其中自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率調(diào)整法對應(yīng)的測量輸出數(shù)據(jù)波動量最小,小于0.01。這將為下一步高精度真空計開發(fā)提供有力的技術(shù)支撐。