基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的真空度測量精度改善方法研究
針對真空度測量精度低的現狀，提出一種真空度測量精度改善方法。以熱偶規為研究對象，基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )設計真空度測量系統。通過(guò)設計BP 網(wǎng)絡(luò )結構，采用三種不同的算法對網(wǎng)絡(luò )權值進(jìn)行訓練，以獲得盡可能穩定、精度更高的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。對三種算法由測試樣本進(jìn)行測試，三種算法訓練的網(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��；而且最速下降法對應的網(wǎng)絡(luò )輸出值波動(dòng)較大，附加動(dòng)量法次之，自適應學(xué)習速率調整法對應的輸出值波動(dòng)最小，波動(dòng)量小于0.01。
目前真空測量的精度很低，一般會(huì )導致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)注的重要內容。提高真空測量的精度和速度可以通過(guò)改進(jìn)規管結構和真空計信號轉換電路兩方面來(lái)實(shí)現。真空規管結構對真空測量的影響很大,不同的測量結構對應于不同的測量原理，導致不同的測量效果。在規管結構確定下，如何改進(jìn)真空計信號轉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，使得規管在外界加熱電流波動(dòng)或熱絲冷阻發(fā)生變化時(shí)仍能輸出較精確的真空度測量值。
1、真空測量系統原理及框圖設計
本系統以熱偶規ZJ-54D 為對象進(jìn)行分析。熱偶規工作原理分析: 在熱偶規測量范圍內，真空度的變化僅與氣體熱傳導有關(guān)，因此在熱絲加熱電流不變時(shí)，熱電偶的輸出電動(dòng)勢僅與真空度有關(guān)，根據熱電動(dòng)勢與真空度之間對應關(guān)系構建特性曲線(xiàn)圖。假定規管的特性曲線(xiàn)準確可靠，且不考慮油蒸汽、炭、粉塵的沾污影響。
實(shí)際應用中，熱絲的輸入電流會(huì )產(chǎn)生波動(dòng)，從而偏離標定電流，影響熱偶規的輸出電動(dòng)勢。同時(shí)，由于環(huán)境溫度的變化，導致熱絲冷端電阻值發(fā)生相應變化，也會(huì )對電動(dòng)勢大小產(chǎn)生相應影響。由于交叉干擾的存在，最終導致熱電動(dòng)勢與壓強之間的關(guān)系偏離規管特性曲線(xiàn)，從而降低熱偶規的測量精度。本真空度測量系統以單個(gè)規管為對象，不涉及規管的零散性分析。
為了消除熱絲電流的波動(dòng)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(dòng)勢信號接入信息處理網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )輸入為3 個(gè)信號，其中U3 為被測熱電動(dòng)勢的電壓輸出信號，U1、U2 為2個(gè)非目標參量的檢測信號，網(wǎng)絡(luò )輸出的初始熱電動(dòng)勢為Ec，根據熱電動(dòng)勢和壓強之間的特性曲線(xiàn)求出被測壓強。輸出量Ec為被測熱電動(dòng)勢的單值函數,這樣可以消除加熱電流和熱絲冷阻2 個(gè)非目標量的影響; 而且在加熱電流變化和熱絲冷阻波動(dòng)的情況下，可使系統輸出Ec，以允許偏差逼近被測目標量E，從而實(shí)現系統目標量測量精度的提高。
圖1 真空度測量系統框圖
2、真空度測量系統BP網(wǎng)絡(luò )設計
2.1、BP網(wǎng)絡(luò )結構設計
利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )對被測信息進(jìn)行分析處理，可以提高測量精度。從預測電動(dòng)勢的角度出發(fā)，首先確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的基本結構。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(dòng)勢預測模型，以達到提高測量精度的效果。輸入層節點(diǎn)數由輸入信號的個(gè)數確定即加熱電流、熱絲冷阻、熱電動(dòng)勢，則輸入層節點(diǎn)數n = 3，中間層為隱節點(diǎn)層，輸出層為預測輸出的電動(dòng)勢，則輸出層節點(diǎn)數m= 1，其真空度測量系統BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )基本結構如圖2 所示。
隱含層節點(diǎn)數的選擇是人工神經(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點(diǎn)數。試湊法是確定最佳隱節數常用的方法，在用試湊法時(shí)，通過(guò)如下經(jīng)驗公式確定隱節點(diǎn)數
式中，k 為隱層節點(diǎn)數，n 為輸入層節點(diǎn)數，m 為輸出層節點(diǎn)數，A為1~ 10 之間的常數。根據經(jīng)驗公式，先設置較少的隱節點(diǎn)訓練網(wǎng)絡(luò ),然后逐漸增加隱節點(diǎn)數，采用同一樣本集中進(jìn)行訓練。由于網(wǎng)絡(luò )對應不同的樣本具有不同的誤差，以多對訓練樣本中最大者Emax代表網(wǎng)絡(luò )的總誤差E ,也可用其均誤差根
作為網(wǎng)絡(luò )的總誤差，從而確定網(wǎng)絡(luò )總誤差最小時(shí)對應的隱節點(diǎn)數。隱層、輸出層的神經(jīng)元轉移函數采用Sigmoid 函數，可避免神經(jīng)元的輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)。
圖2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )基本結構圖
結論
針對真空度測量精度不高的問(wèn)題，本文基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )設計了真空度測量數據的信息處理方法。通過(guò)設計BP 網(wǎng)絡(luò )結構，由實(shí)測樣本數據采用三種算法對網(wǎng)絡(luò )權值進(jìn)行訓練，以獲得穩定、精度更高的真空度測量BP 網(wǎng)絡(luò )。由測試數據檢驗，三種算法訓練的網(wǎng)絡(luò )較原測量數據的精度大大提高，受加熱電流和熱絲冷阻值變化的影響大大減弱; 同時(shí)，自適應學(xué)習速率調整法、附加動(dòng)量法對應的測量輸出數據波動(dòng)量較最速下降法小，而其中自適應學(xué)習速率調整法對應的測量輸出數據波動(dòng)量最小，小于0.01。這將為下一步高精度真空計開(kāi)發(fā)提供有力的技術(shù)支撐。
