基于MATLAB的BP神经网络控制器的设计及其实验仿真.docx
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基于MATLAB的BP神经网络控制器的设计及其实验仿真
摘要
虚拟设计是近年来发展起来的一个新的研究领域，智能控制虚拟实验室则是智能控制教学上的一个很好的工具。
鉴于传统实验室需要的设备，资金，场地等问题，利用虚拟实验室进行实验教学能够很大程度上的节约成本，同时用户在计算机前就能完成实验，查看实验结果，也能提高效率，节省时间。
本课题主要是建立可以进行智能控制虚拟实验，其模拟的是天煌教仪生产的“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”。
本设计由三个主要部分构成：
虚拟实验室的3D造型、智能控制实验仿真、图形用户界面（GUI）。
在具体的实现过程中，利用VRML语言完成虚拟实验室3D模型的建立；通过MATLAB的强大数据处理功能实现了BP神经网络控制实验的仿真和GUI的设计；最后利用MATLAB对系统进行封装，形成独立的可执行程序。
用户可通过封装程序界面打开GUI界面，在GUI界面中进行实验，设置参数，并能够察看系统的仿真曲线，实现虚拟实验的效果。
关键字：
虚拟实验室、VRML、BP神经网络、MATLAB
Abstract
Virtualdesignisdevelopedinnewareaofresearchinrecentyears,VirtualIntelligentControlLaboratoryisagoodteachingtoolofIntelligentControlEducation.Inviewoftheneedfortraditionallaboratoryequipment,funds,spaceandotherissues,usingvirtuallaboratoryforexperimentalteachinginalargeextentthecostsavings,whilepeoplewillbeabletobecompletedtheexperimenttoseeresults,butalsoimproveefficiency,savetimebyusingcomputer.
Themainissueistheestablishmentofavirtualintelligentcontrolcanbesimulatedlaboratoryequipmentis“THJ-2advancedprocesscontrolsystemexperimental”madebyTianhuangcompany.Thedesignisconsistsofthreemainparts:
the3DVirtualLaboratorymodeling,thesimulationofintelligentcontrol,thegraphicaluserinterfaces（GUI）.
Therealizationofthespecificprocess,byusingofVRMLlanguagetocompletethevirtual3Dmodellaboratory;throughMATLAB'spowerfuldata-processingfunctionstodoaBPneuralnetworkcontrolexperimentsimulationandmakeGUIdesign;thefinal,usingMATLABtoletthesystempackagetoformanindependentexecutableprogram.UserscanopentheGUIinterfacepackageinterface,theGUIinterfaceintheexperiment,setparameters,andbeabletoseethesimulationcurve,theeffectofvirtualexperiments.
Keywords:
VirtualLaboratory,VRML,BPneuralnetworkcontroller,MATLAB
第1章引言1
1.1课题的研究背景及研究目地1
1.2虚拟实验室的介绍3
1.2.1虚拟实验室的概念3
1.2.2虚拟设计的技术基础3
1.2.3虚拟设计的特点4
1.2.4虚拟设计的优点5
1.3课题研究的主要内容5
第2章VRML虚拟实验设备设计7
2.1VRML技术基础知识7
2.1.1VRML技术概述8
2.1.2VRML文件组成8
2.1.3VRML节点简介8
2.2实验装备简介11
2.3虚拟实验室的设计11
2.3.1部分元件设计及程序.11
2.3.2由零件组成控制面板的小单元14
2.3.3各控制单元组成完整的控制面板16
第3章神经网络理论17
3.1神经网络理论概述17
3.2BP神经网络18
第4章基于MATLAB的BP神经网络控制器的设计及其实验仿真20
4.1基于BP神经网络控制器的设计20
4.2BP-PID控制实验仿真23
4.2.1MATLAB简介.23
4.2.2BP-PID控制实验仿真24
4.3图形用户界面（GUI）的设计32
4.3.1MATLAB图形用户界面简介.32
4.3.2图形用户界面实现的功能34
4.3.3图形用户界面的实现过程34
4.4系统封装37
4.4.1封装目地.37
4.4.2MATLAB封装具体过程38
第5章结论39
参考文献40
致谢41
附录一VRML设计部分程序42
附录二MATLAB设计GUI程序46
第一章引言
近些年来，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。
而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。
同时，虚拟现实技术也逐渐从飞行仿真、战争应用到教育、科研、娱乐、建筑、医疗、工业等各个方面。
1.1课题的研究背景及发展方向
有人认为，80年代是个人计算机时代，90年代是多媒体时代，21世纪初则是虚拟现实技术时代。
而虚拟现实技术的诞生可以追溯到上个世纪的六十年代。
1965年，IvanSutherland在篇名为《TheUltimateDisplay》（终极的显示）的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。
1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器HMD的研制工作。
在这第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。
1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。
1984年，WilliaGibson写了一本名为Neuro-mancer的书，书中幻想计算机用户可以把自己的脑神经网络接入计算机，这样用户便可以神游于由计算机模拟成的虚拟世界中。
他把这个世界称为“控制空间”（CyberSpace）。
在这以后，人们又提出了“虚拟现实”。
“人工现实”、“远程现场控制”等设想，统称为虚拟现实技术。
基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的VPL公司的创建者JaronLamer在80年代初最后确定以虚拟现实（VirtualReality）一词作为这一领域的专用术语。
80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果。
1984年，NASAAmes研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。
1990年在美国Dallas召开的Siggraph的会议上，对VR技术进行了讨论，明确提出了VR技术的主要内容是：
实时三维图形生成技木、多传感器交互技术，以及高分辨率显示技术，为VR技术的发展确定了研究方向[1]。
1、协作式虚拟实验室[2]
协作技术分为两个主要部分：
信息共享技术和通信技术。
通信技术现阶段已比较成熟，而信息共享技术则比较难以实现，因为它一方面要求实现复杂数据类型的转换；另一方面，它还没有较好的群件。
原因一是CSCW（ComputerSupportedCooperativeWork）尚处未成熟阶段；二是协作任务的不同，开发一套普遍适用的规则较难。
因此，协作式虚拟实验室的目标设计很重要，其目标就是要减少地域障碍，使学生能在网上一起进行科学实验和讨论。
在协作式虚拟实验室中，每个用户都有一个特定的个人域并共享一个群域，通过这种方式，个人和小组工作既可以个别发生，又可以同时发生。
图1-1协作式虚拟实验室原理图
麻省理工学院针对虚拟实验室中的协作效果进行了对比性研究，将21个使用过WebLab的MIT本科生分成三组：
单独组、协作组和指导组。
实验结果表明：
人们独自工作时速度快，与他人协作时速度慢，但正确率比单独组高。
因为在与他人协作时，实验是以讨论的方式展开的，提出自己的解决方法，通过交流、讨论和验证各自的观点，最终得出正确的解决方案。
2、自适应虚拟实验室[2]
在日常语言中，“自适应”是指生物变更自己的习性以适应新的环境的一种特征。
直观地说，“自适应实验”即指能修正自己的特征以响应规则原理的变化，并根据学习者的学习过程生成一个反馈回路，为学习者提供一个自适应的获取知识和技能的实验学习环境。
自适应实验室系统原理框图如图1-2所示，假定系统的输入r，经过预处理单元处理后其输出为yu，当被控对象结构变化或参数偏离时，自适应机构根据参考模型输出与被控对象输出之差及其变化，产生一个自适应信号，调整前馈、反馈调节器，使其参数收敛，即e＝yu-yd→0。
图1-2自适应虚拟实验室原理图
虚拟实验室增强并扩展了实验教学的功能，以前所未有的方式将学生和实验仪器联系起来，为学生提供了一种崭新的实验方式。
在使用虚拟实验室的过程中，如果能把模拟的与真实的相比较，加强学习者之间的相互合作，并注重激发学习者的兴趣、促使其进行探究，那必将会产生巨大的教育价值。
1.2虚拟实验室的介绍
1.2.1虚拟实验室的概念
虚拟实验室可以说是教育领域应用信息技术的一种创新：
允许人们访问和使用自己没有的设备资源，使得处于不同地理位置的学习者可以同时对一个实验项目进行实验工作，可以接触最新的仪器。
目前，有关虚拟实验室的定义主要有两种[3]：
——所谓虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等值于甚至优于在真实环境中所取得的效果。
——虚拟实验室是一个创造和引导模拟实验的交互环境：
即实验场所。
它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成。
用户可以通过增加新的物体、建立新的实验并把它们转化成超文本文件来扩充实验室。
1.2.2虚拟设计的技术基础
虚拟设计是在虚拟现实技术的基础上产生的，其技术基础是“虚拟现实”[4]。
虚拟现实（VirtualReality，简称VR）是指综合利用计算机图形系统和各种显示、控制等接口设备生成的给人多种感官刺激和交互性操作的虚拟环境（Virtua1Environment），是一种高级的人机交互系统。
虚拟现实技术是一门由多学科交叉形成的一个全新的研究领域，汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、仿真、微电子、高度并行的实时计算技术和人的行为学研究等多项关键技术，是这些技术高层次的集成和渗透。
虚拟现实的功能有：
给用户制造一个三维现实世界的感觉；使用户能够与界面中的环境交互，并能在其中动作，使用户能直接和界面中的图形实时地交互，用户作为界面中的主人在虚拟世界中遨游；用户能从任意的观察点来观察他所想看到的物体，改变物体的位置和方向，控制物体的行为和外形，对界面中的物体进行评价而不需要预先编程。
从本质上讲，虚拟现实系统是一种高级的多通道人机交互系统，它对沉浸式系统要求采用自然方式的交互操作，对于非沉浸式系统也可使用常规交互设备进行交互操作。
虚拟现实的概念模型如图1-3所示：
图1-3虚拟现实的概念模型
因此，人机交互是虚拟现实的核心，它强调的是人、机两者之间的交互操作，即反映出人在虚拟世界（环境）的体验。
虚拟现实技术潜力巨大，应用前景十分广阔，越来越多地被应用于科学研究，已被认为是重要的科学探索工具。
利用这项技术，在新产品、新计划或新概念还远没有成为现实之前，人们就能够以较为现实的方式对其进行观察和探索。
从这个意义上讲，虚拟现实技术是一种非常独特的技术，很难有别的技术可以取而代之。
虚拟设计是虚拟现实技术在机械产品设计方面的一个应用。
1.2.3虚拟设计的特点
一个完整的虚拟现实系统应包含一个逼真的三维虚拟环境和符合人们自然交互习惯的人机交互界面，具有以下几个特点：
（1）多感知性（MultiSensory）VR系统具有感知视、听、触嗅、味觉及运动等多种信息的能力。
（2）沉浸感（Immersion）指用户感到作为主角存在于虚拟环境并与其“融合”的真实程度。
（3）交互性（Interaction）指用户通过交互设备对虚拟环境中对象的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。
（4）自主性（Autonomy）指虚拟环境中物体可按各自的模型、属性和规则自主运动，即虚拟环境中的物体应具有与在现实世界中相同的物理属性。
例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动，或翻倒、或从桌面落到地面等。
（5）多信息通道性虚拟设计时，用户除了通过视觉感受虚拟原型的信息外，还可以通过听觉、触觉、嗅觉等其它信息通道来接受信息。
在交互时，除支持普通的键盘、鼠标外，还支持三维鼠标、跟踪球、操纵杆、数据衣、数据手套、声音命令、动作、目光等其它交互设备和手段，支持更多的设计行为（建模、仿真、修改、评估、预测等）。
（6）实时性虚拟设计时，设计者作为虚拟环境的参与者，与虚拟环境融为一体，可以随意观察想观察的对象，改变物体的位置和方向，控制物体的行为和外形，并立即得到相应的响应，具有所见即所得的实时性。
（7）高效率传统的产品开发制造需要从“试设计—样机制作—实验评价—产品设计”反复循环，需要反复制造与实验物理样机，时间长，成本高、效率低、风险大。
采用虚拟设计后，它的“设计—加工—装配—评价”等阶段都可以在虚拟环境下进行，时间短、成本低、效率高，风险小，可以迅速对市场的需要做出反应。
例如，波音777飞机的设计，由于采用了虚拟设计，对比以往的飞机设计，公司节省了94%的花费，减少了93%的设计更改，而且使模具的设计精度提高了10倍，从而大大降低了费用，同时使制造周期缩短了近一半。
1.2.4虚拟设计的优点
虚拟设计具有以下优点：
（1）虚拟设计继承了虚拟现实技术的所有特点。
（2）具备仿真技术的可视化特点，便于随时改变输入变量实时仿真实验结果。
（4）支持Internet互联，利于资源共享和优势互补，随时随地更改参数并进行实验。
（5）便于利用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优势。
1.3课题研究的主要内容
智能控制虚拟实验室的功能是让学生在网络环境中进行智能控制实验。
本设计最终目标是完成智能控制虚拟实验室的BP神经网络控制器的设计。
建立起一个虚拟实验室，用户能够通过该实验室进行BP神经网络整定PID控制实验。
按照这种要求设计的智能控制虚拟实验室主要由三部分组成：
虚拟实验室与实验设备的3D视觉效果、智能控制系统设计、各实验图形用户界面设计（GUI）。
图1-4系统整体框架图
图1-4中的虚拟设备由VRML进行创建；控制系统和控制算法使用Matlab进行设计；设计各实验的图形用户界面将虚拟实验设备和智能控制系统联系在一起；最后用MATLAB制封装整个系统，形成一个完整的模块。
第二章VRML虚拟实验设备设计
在虚拟设计中，虚拟环境系统的设计很重要。
VRML虚拟实验设备，是这次课题的所要模拟的实验装备，即学生做试验的实验装备。
本课题选用了“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”作为模拟的实验设备，下面介绍VRML实验室的建立过程，及现阶段完成部分。
2.1VRML技术基础知识
2.1.1VRML技术概述
VRML是虚拟现实建模语言（即VirtualRealityModelingLanguage）的简称，是SGI公司开发的一种3D造型和渲染的图形描述性语言，1997年12月被国际标准化组织ISOJYCI/SC24委员会认定为国际标准（150/IEC1472—1:
1997）[6]。
它采用描述性的文本语言描述基本的三维物体的造型，通过一定的控制，将这些基本的三维造型组合成虚拟场景，当支持VRML的浏览器浏览这些文本描述信息时，在本地进行解释执行，生成虚拟的三维场景。
VRML的结构类似于openGL的显示列表，用树状的场景图来描述三维世界。
应用面向对象技术，不仅使场景图对三维世界的描述变得清晰，还通过封装属性和建立场景图内部消息通道很方便地实现虚拟实体的交互和动画等功能。
图2-1VRML文件实现过程
VRML是虚拟现实编程语言，是一种描述交互式三维对象和世界的文件格式，广泛应用于互联网，是以虚拟现实为特征的3DWeb技术的核心。
VRML为称为继HTML之后的第二代Web语言，它本身也是一种建模语言，也就是说，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界，也可以集成文本、图像、音响、影像等多种媒体类型。
2.1.2VRML文件组成
VRML文件是一个后缀名为.wrl的文件，它主要由文件头、造型、原型、事件和路由五部分组成，其中文件头是必须的[7]。
另外，文件中也可含有注释，以便编写者对文件的各部分进行注释说明。
（1）文件头文件头是VRML文件的标志，所有2.0版本的VRML文件都以这行文字打头。
其内容为：
“#VRMLv2.0utf8”。
其中#表示之后是注解，它在浏览时不被执行；VRML告诉打开该文件的浏览器该文件是一个VRML文件；V2.0表示该VRML文件的版本号是2.0；utf8表示该文件采用的是国际UTF—8编码方案。
UTF—8是一个广泛支持多种语言的字符集，由国际标准化组织150/IEC1472—1:
1997标准所定义。
（2）造型物体的造型即场景图，场景图由描述对象及其属性的节点组成。
在场景中，我们可以使用VRML提供的结点描述语言来设计三维对象的各种属性。
（3）原型节点的原型是节点对其中的域（field）、入事件（eventIn）和出事件（eventOut）的声明。
通过自定义原型（PROTO）可以对标准节点进行组合，提供新的节点类型。
（4）事件指按照定义的路由，由一个节点发往另一个节点的消息。
事件标志着外部刺激、域值变化或节点之间的交互，可分为入事件和出事件，入事件将导致节点状态的改变，出事件是节点向外界报告自身状态的出口。
事件由一个时间戳和一个域值组成。
（5）路由指产生该事件和接收该事件的节点之间的连接。
路由的作用在于将各个不同的节点绑定在一起以使虚拟空间具有动感和交互性。
（6）注释在VRML文件中允许编写者在文件的任何部分进行注释说明，以增强该文件的可读性和维护便利。
VRML文件的注释部分是以“#”符开头，结束于该行的末尾（换行或Carriagereturn字符）。
浏览器在浏览VRHL文件的时候将跳过#号之后本行的所有内容不予解释执行。
另外浏览器在浏览VRML文件的时候将自动地忽略VRML文件中的所有的空格和空行。
2.1.3VRML节点简介
节点（Node）是场景图的基本组件，是构成VRML文件的基本单元[8]。
每个节点都可以有五个方面的特征：
类型、域、事件、实现、名字。
节点可以命名（DEF语句），节点命名后可以通过USE语句加以引用，从而避免代码重复，减小文件体积，达到共享的目的。
节点的类型很丰富，除了自定义的节点类型（PROTO）以外，一共有74种节点类型按功能可分为组节点（GroupingNodes）、特殊组节点（Specia1GroupsNodes）、通用节点（CommonNodes）、传感器节点（SensorsNodes）、几何体节点（GeometryNodes）、几何体属性节点（GeometricPropertiesNodes）、外观节点（AppearanceNodes）、约束节点（BindableNodes）、插值节点（InterpolatorsNodes）等九大类。
通过节点的层层嵌套以及节点的定义和使用，形成整个场景图。
下面对将要用到的主要节点进行简单介绍：
1）外形节点Shape
在创建一个造型时，都必须使用Shape节点。
Shape节点的语法为[9]：
Shape{
exposedFieldSFNodeappearanceNULL
exPosedFieldSFNodegeometryNULL
}
2）变换节点Transform
一个Transform节点是一个组节点。
Transform节点包含一个子节点的列表。
这些子节点可以是shape节点、其它Group节点或Transform节点。
在Transform节点中的所有子节点将在Transform节点的坐标系原点处创建。
如果该坐标系的位置发生变化，则Transform节点内的所有子节点将一同变化。
Transform节点可以层层嵌套，它可以是父节点，也可以是一个父节点Group或Transform节点的子节点。
父节点的坐标系是Transform节点坐标系的父坐标系。
如果一个Transform节点是VRML文件的最高级组，则它的父坐标系就是VRML文件的世界坐标系。
Transform节点的语法为：
Transform{
eventlnMFNodeaddChildren
eventlnMFNoderemoveChildren
exPosedFieldSFVec3fcenter000
exposedFieldHFNodechildren[]
exPosedFieldSFRotationrotation0010
exPosedFieldSFVec3fscalelll
exposedFie1dSFRotationsca1e0rientation00l0
exPosedFieldSFyec3ftrans1ation000
fieldSFVec3fbboxCenter000
fieldSFVec3fbboxsize-1-1-1
}
3）造型节点
在VRML文件中存在很多的造型节点。
基本造型节点有长方体节点Box、回柱体节点Cylinder、圆锥体节点Cone、球体节点Sphere。
还有高级造型节点，如挤出造型节点Extrusion、标高网格造型节点ElevationGrid、点造型节点Pointset、线造型节点IndexedLineset、面造型节点IndexedFaceset等等.通过对这些造型节点进行旋转、组合、缩放等运用，可以构造出非常复杂的对象。
下面是基本造型
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