【正文】 取性能指標(biāo)函數(shù)為： ()按照梯度下降法修正網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)，即按E（k）對(duì)加權(quán)系數(shù)的負(fù)梯度力向搜索調(diào)整，并附加使搜索快速收斂全局極小的慣性項(xiàng)。 隱層神經(jīng)元的活化函數(shù)取正負(fù)對(duì)稱(chēng)的Sigmoid函數(shù)： ()網(wǎng)絡(luò)輸出層的輸入輸出為： (l=1,2,3) () 輸山層輸出節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)三個(gè)可調(diào)參數(shù)Kp，Ki，Kd。網(wǎng)絡(luò)輸入層的輸入為： j=1,2,…M ()式中，輸入變量的個(gè)數(shù)M取決于被控系統(tǒng)的復(fù)雜程度?；贐P(Back propagation)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖41所示，控制器由兩部分構(gòu)成：圖41 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（1）經(jīng)典的PID控制器，直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制，并且三個(gè)參數(shù)Kp，Ki，Kd為在線調(diào)整方式；（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，以期達(dá)到某種件能指標(biāo)的最優(yōu)化，使輸出層神經(jīng)元的輸出狀態(tài)對(duì)應(yīng)于PID控制器的三個(gè)Kp，Ki，Kd通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)調(diào)整，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制律下的PID控制器參數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具有的任意非線性表達(dá)能力，可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)性能的學(xué)習(xí)來(lái)實(shí)現(xiàn)具有最佳組合的PID控制。第四章 基于MATLAB的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)仿真此為本次設(shè)計(jì)的核心部分，這次虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)控制器采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器來(lái)控制，以不同的輸入函數(shù)及不同的學(xué)習(xí)速率、慣性系數(shù)來(lái)對(duì)比控制效果，達(dá)到從實(shí)驗(yàn)可以得到學(xué)習(xí)的效果。此時(shí)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即能對(duì)類(lèi)似樣本的輸入信息，自行處理輸出誤差最小的經(jīng)過(guò)非線形轉(zhuǎn)換的信息。周而復(fù)始的信息正向傳播和誤差反向傳播過(guò)程，是各層權(quán)值不斷調(diào)整的過(guò)程，也是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的過(guò)程，此過(guò)程一直進(jìn)行到網(wǎng)絡(luò)輸出的誤差減少到可以接受的程度，或者預(yù)先設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)為止。當(dāng)實(shí)際輸出與期望輸出不符時(shí)，進(jìn)入誤差的反向傳播階段。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即誤差反傳誤差反向傳播算法的學(xué)習(xí)過(guò)程，由信息的正向傳播和誤差的反向傳播兩個(gè)過(guò)程組成。它的特點(diǎn)是：各層神經(jīng)元僅與相鄰層神經(jīng)元之間相互全連接，同層內(nèi)神經(jīng)元之間無(wú)連接，各層神經(jīng)元之間無(wú)反饋連接，構(gòu)成具有層次結(jié)構(gòu)的前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。但是關(guān)于它的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)目前為止還沒(méi)有一套完整的理論。 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于誤差反向傳播( Error Back Propagation)算法的多層前饋網(wǎng)絡(luò)(Multiple Layer Feed forward Network) (簡(jiǎn)稱(chēng)BP網(wǎng)絡(luò))，可以以任意精度逼近任意的連續(xù)函數(shù)，所以廣泛應(yīng)用于非線性建模、函數(shù)逼近、模式分類(lèi)等方面[13]。 隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論本身以及相關(guān)理論、相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用定將更加深入。2）．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用的研究。2)．利用神經(jīng)基礎(chǔ)理論的研究成果，用數(shù)理方法探索功能更加完善、性能更加優(yōu)越的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，深入研究網(wǎng)絡(luò)算法和性能，如：穩(wěn)定性、收斂性、容錯(cuò)性、魯棒性等；開(kāi)發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)數(shù)理理論，如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)、非線性神經(jīng)場(chǎng)等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究可以分為理論研究和應(yīng)用研究?jī)纱蠓矫?。人工神?jīng)網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)上提出來(lái)的[11]。直到80年代，獲得了關(guān)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)切實(shí)可行的算法，以及以Von Neumann體系為依托的傳統(tǒng)算法在知識(shí)處理方面日益顯露出其力不從心后，人們才重新對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了興趣，導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)興。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，可以追溯到 1957年Rosenblatt提出的感知器模型（Perceptron）。國(guó)際著名的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究專(zhuān)家，第一家神經(jīng)計(jì)算機(jī)公司的創(chuàng)立者與領(lǐng)導(dǎo)人Hecht Nielsen給人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下的定義就是：“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由人工建立的以有向圖為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它通過(guò)對(duì)連續(xù)或斷續(xù)的輸入作狀態(tài)相應(yīng)而進(jìn)行信息處理。它由大量的、同時(shí)也是很簡(jiǎn)單的神經(jīng)元廣泛互連形成復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，已經(jīng)在信息處理模式識(shí)別、智能控制及系統(tǒng)建模等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本章來(lái)介紹一下BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。圖26 控制面板的造型第三章 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中使用最廣泛的一種。因此利用貼圖的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這些圖像，將各單元正面的照片貼在做好的單元主體上，再把之前做好的各零部件通過(guò)Transform節(jié)點(diǎn)放置在照片上的相應(yīng)位置，將照片上的原型遮擋住。利用Transform節(jié)點(diǎn)的這些域進(jìn)行調(diào)整，最終可以將各零部件組成完整的單元。該域值的三個(gè)值分別為X，Y，Z方向的縮放系數(shù)。 ，表示以Z軸為旋轉(zhuǎn)軸，但不發(fā)生旋轉(zhuǎn)[9]。該域的前三個(gè)值為一個(gè)三維梭鏢的X，Y，Z分量，該三維坐標(biāo)是在新坐標(biāo)系上的，原點(diǎn)和該點(diǎn)相連的虛線就是旋轉(zhuǎn)軸。rotation域的域值指定了一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)角度。該域值既可正，也可為負(fù)，只是方向相反而已。Transform節(jié)點(diǎn)同Group節(jié)點(diǎn)一樣是編組節(jié)點(diǎn)，其語(yǔ)法定義如下：Transform{exposedField MFNode children []exposedField SFVec3f translation exposedField SFRotation rotation exposedField SFVec3f scale exposedField SFRotation scaleOrientation field SFVec3f bboxCenter field SFVec3f bboxSize exposedField SFVec3f center eventIn MFNode addChildren eventIn MFNode removeChildren translation域的域值指定了在父坐標(biāo)系的原點(diǎn)和新坐標(biāo)系的原點(diǎn)之間X，Y，Z方向上的距離。各部件的組合過(guò)程是通過(guò)控制3D造型進(jìn)行平移，旋轉(zhuǎn)以及比例縮放。變頻器面板由變頻器，3個(gè)顏色各異的大插孔，7個(gè)顏色各異的小插孔以及一個(gè)電源開(kāi)關(guān)構(gòu)成。 部分元件設(shè)計(jì)及程序（1）插孔的設(shè)計(jì)及程序插孔為控制面板上用的最多的部分。，直接在命令框內(nèi)輸入要編寫(xiě)的程序即可，再運(yùn)行得到所需的3D圖像。主要由被控對(duì)象和控制儀表兩部分組成。例如，Transform節(jié)點(diǎn)中的children域，其域值都是Transform節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，而Transform節(jié)點(diǎn)是它們的父節(jié)點(diǎn)。其節(jié)點(diǎn)語(yǔ)法為：IndexedFaceset {eventln MFInt32 set_colorlndexeventln MFInt32 set_coordlndexeventln MFInt32 set_normallndexeventln MFInt32 set_texCoordlndexexPosedField SFNode color NULLexPosedField 5FNode coord NULLexPosedField SFNode norma1 NULLexPosedField SFNode texCoord NULLfield SFBool ccw TRUEfield MFInt32 colorlndex []field SFBoo1 ColorPerVertex TRUEfield SFBool convex TRUEfield MFInt32 coordlndex []field SFFloat creaseAngle 0field MFInt32 normallndex []field SFBool norma1Peryertex TRUEfield SFB001 solid TRUEfield MFInt32 texCoordlndex []}4）父節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)VRML文件一個(gè)重要的特點(diǎn)就是由許多節(jié)點(diǎn)層層嵌套組合而成的，這樣就形成了父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)。IndexedFaceset節(jié)點(diǎn):通過(guò)對(duì)面的描述來(lái)構(gòu)造幾何體。還有高級(jí)造型節(jié)點(diǎn)，如擠出造型節(jié)點(diǎn)Extrusion、標(biāo)高網(wǎng)格造型節(jié)點(diǎn)ElevationGrid、點(diǎn)造型節(jié)點(diǎn)Pointset、線造型節(jié)點(diǎn)IndexedLineset、組合、縮放等運(yùn)用，可以構(gòu)造出非常復(fù)雜的對(duì)象。Transform節(jié)點(diǎn)的語(yǔ)法為：Transform {eventln MFNode addChildreneventln MFNode removeChildrenexPosedField SFVec3f center 0 0 0exposedField HFNode children []exPosedField SFRotation rotation 0 0 1 0exPosedField SFVec3f scale l l lexposedFie1d SFRotation sca1e0rientation 0 0 l 0exPosedField SFyec3f trans1ation 0 0 0field SFVec3f bboxCenter 0 0 0field SFVec3f bboxsize 1 1 1}3)造型節(jié)點(diǎn)在VRML文件中存在很多的造型節(jié)點(diǎn)。父節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系是Transform節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的父坐標(biāo)系。如果該坐標(biāo)系的位置發(fā)生變化，則Transform節(jié)點(diǎn)內(nèi)的所有子節(jié)點(diǎn)將一同變化。這些子節(jié)點(diǎn)可以是shape節(jié)點(diǎn)、其它Group節(jié)點(diǎn)或Transform節(jié)點(diǎn)。Shape節(jié)點(diǎn)的語(yǔ)法為[9]：Shape {exposedField SFNode appearance NULLexPosedField SFNode geometry NULL}2)變換節(jié)點(diǎn)Transform一個(gè)Transform節(jié)點(diǎn)是一個(gè)組節(jié)點(diǎn)。通過(guò)節(jié)點(diǎn)的層層嵌套以及節(jié)點(diǎn)的定義和使用，形成整個(gè)場(chǎng)景圖。節(jié)點(diǎn)可以命名(DEF語(yǔ)句)，節(jié)點(diǎn)命名后可以通過(guò)USE語(yǔ)句加以引用，從而避免代碼重復(fù)，減小文件體積，達(dá)到共享的目的。節(jié)點(diǎn)(Node)是場(chǎng)景圖的基本組件，是構(gòu)成VRML文件的基本單元[8]。瀏覽器在瀏覽VRHL文件的時(shí)候?qū)⑻^(guò)號(hào)之后本行的所有內(nèi)容不予解釋執(zhí)行。(6)注釋在VRML文件中允許編寫(xiě)者在文件的任何部分進(jìn)行注釋說(shuō)明，以增強(qiáng)該文件的可讀性和維護(hù)便利。(5)路由指產(chǎn)生該事件和接收該事件的節(jié)點(diǎn)之間的連接。事件標(biāo)志著外部刺激、域值變化或節(jié)點(diǎn)之間的交互，可分為入事件和出事件，入事件將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的改變，出事件是節(jié)點(diǎn)向外界報(bào)告自身狀態(tài)的出口。通過(guò)自定義原型(PROTO)可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合，提供新的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。在場(chǎng)景中，我們可以使用VRML提供的結(jié)點(diǎn)描述語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)三維對(duì)象的各種屬性。UTF—8是一個(gè)廣泛支持多種語(yǔ)言的字符集，由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織150/IEC1472—1:1997標(biāo)準(zhǔn)所定義。其內(nèi)容為：“VRML utf8”。另外，文件中也可含有注釋?zhuān)员憔帉?xiě)者對(duì)文件的各部分進(jìn)行注釋說(shuō)明。VRML為稱(chēng)為繼HTML之后的第二代Web語(yǔ)言，它本身也是一種建模語(yǔ)言，也就是說(shuō)，它是用來(lái)描述三維物體及其行為的，可以構(gòu)建虛擬境界，也可以集成文本、圖像、音響、影像等多種媒體類(lèi)型。應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，不僅使場(chǎng)景圖對(duì)三維世界的描述變得清晰，還通過(guò)封裝屬性和建立場(chǎng)景圖內(nèi)部消息通道很方便地實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體的交互和動(dòng)畫(huà)等功能。它采用描述性的文本語(yǔ)言描述基本的三維物體的造型，通過(guò)一定的控制，將這些基本的三維造型組合成虛擬場(chǎng)景，當(dāng)支持VRML的瀏覽器瀏覽這些文本描述信息時(shí)，在本地進(jìn)行解釋執(zhí)行，生成虛擬的三維場(chǎng)景。本課題選用了“THJ2型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”作為模擬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，下面介紹VRML實(shí)驗(yàn)室的建立過(guò)程，及現(xiàn)階段完成部分。第二章 VRML虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)在虛擬設(shè)計(jì)中，虛擬環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很重要。按照這種要求設(shè)計(jì)的智能控制虛擬實(shí)驗(yàn)室主要由三部分組成：虛擬實(shí)驗(yàn)室與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的3D視覺(jué)效果、智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、各實(shí)驗(yàn)圖形用戶(hù)界面設(shè)計(jì)(GUI)。本設(shè)計(jì)最終目標(biāo)是完成智能控制虛擬實(shí)驗(yàn)室的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)。(5)便于利用和補(bǔ)充各種先進(jìn)技術(shù)，保持技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。(2)具備仿真技術(shù)的可視化特點(diǎn)，便于隨時(shí)改變輸入變量實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如，波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)，由于采用了虛擬設(shè)計(jì)，對(duì)比以往的飛機(jī)設(shè)計(jì)，公司節(jié)省了94%的花費(fèi)，減少了93%的設(shè)計(jì)更改，而且使模具的設(shè)計(jì)精度提高了10倍，從而大大降低了費(fèi)用，同時(shí)使制造周期縮短了近一半。(7) 高效率 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)制造需要從“試設(shè)計(jì)—樣機(jī)制作—實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)—產(chǎn)品設(shè)計(jì)”反復(fù)循環(huán)，需要反復(fù)制造與實(shí)驗(yàn)物理樣機(jī)，時(shí)間長(zhǎng)，成本高、效率低、風(fēng)險(xiǎn)大。在交互時(shí)，除支持普通的鍵盤(pán)、鼠標(biāo)外，還支持三維鼠標(biāo)、跟蹤球、操縱桿、數(shù)據(jù)衣、數(shù)據(jù)手套、聲音命令、動(dòng)作、目光等其它交互設(shè)備和手段，支持更多的設(shè)計(jì)行為(建模、仿真、修改、評(píng)估、預(yù)測(cè)等)。例如，當(dāng)受到力的推動(dòng)時(shí)，物體會(huì)向力的方向移動(dòng)，或翻倒、或從桌面落到地面等。(3)交互性(Interaction) 指用戶(hù)通過(guò)交互設(shè)備對(duì)虛擬環(huán)境中對(duì)象的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。 一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)包含一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境和符合人們自然交互習(xí)慣的人機(jī)交互界面，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 多感知性(Multi S