基于Matlab BP神经网络的非线性系统辨识与控制研究

随着现代工业和科学技术的不断发展，非线性系统的建模和控制成为了自动化领域中的重要研究课题。传统的系统辨识方法往往难以应对系统的复杂性和非线性特性，而人工神经网络（ANN）凭借其强大的逼近能力和自适应性，已广泛应用于系统辨识和控制中。本文提出了一种基于BP（反向传播）神经网络的非线性系统辨识与控制方法，旨在通过神经网络有效地对非线性系统进行建模与控制。

首先，本文通过构造一个基于输入输出数据的非线性系统模型，并使用BP神经网络对该系统进行辨识。训练数据通过生成一组带有非线性特性的时间序列数据，作为BP神经网络的输入与目标输出。然后，采用最小均方误差（MSE）作为优化目标，训练网络得到最优的权重和偏置，以实现对系统的准确建模。

在系统辨识完成后，本文进一步设计了基于模型参考自适应控制（MRAC）的控制策略。MRAC控制器利用神经网络模型对系统的非线性动态特性进行补偿，从而提高系统的控制精度和鲁棒性。通过仿真结果，验证了该方法在实际应用中的有效性，特别是在非线性系统的状态估计和控制精度方面，相较于传统控制方法具有显著优势。

最后，本文通过仿真实验对比了训练过程中的误差变化、期望输出与实际输出的差异，并给出了相应的测试误差分析。实验结果表明，基于BP神经网络的系统辨识方法能够准确逼近非线性系统的真实动态特性，并有效提高控制精度，具有较强的应用前景。

算法流程

 

运行效果

运行 BP_identification.m
图1：训练指标分析

（1）轮次：虽然目标是训练10000轮，但目前仅完成了300轮。由于提前停止（早停机制）已被触发，训练提前结束。通常，早停机制用于防止过拟合，但也可能导致模型在达到最佳性能之前就停止训练。
（2）性能和模度：性能（均方误差）从0.65改善到0.00184，接近设定目标0.0001。模度也从1.13下降到0.00477，但未达到目标1e-05。这表明模型的性能在接近收敛，但由于早停的影响，可能未完全达到预期的性能。

图2：训练数据和系统输出对比

（1）特征分析：系统输出为周期性方波信号，且波形保持稳定，波动范围稳定在±1区间，没有明显的失真或衰减。信号的频率和幅值基本恒定，表明训练的目标波形复现得很好。
（2）意义：这说明神经网络能够稳定地预测和重现目标的波形，训练效果已经较为理想。系统在训练数据上没有过拟合，并能有效地捕捉到目标信号的规律。

图3：训练误差曲线分析

（1）误差变化：训练误差从初始的0.65下降到接近0，且收敛速度较快，没有出现震荡或发散。这表明网络已经在大部分训练过程中有效学习到了目标函数，并且梯度下降算法能够稳定收敛。
（2）结论：训练误差的快速下降表明模型在训练集上的表现非常好，虽然早停触发，但训练效果还是达到了理想的水平。

图4：实际输出与期望输出对比

（1）对比分析：实际输出和期望输出之间有一些小的差异，主要体现在峰值处，但整体趋势和波形是相似的。误差集中在峰值附近，整体上误差在可接受范围内。
（2）意义：这表明网络模型可以较好地复现期望波形，差异不大，模型在测试集上的泛化能力也很好。

图5：预测误差分析

（1）误差分布：误差基本呈均匀波动的周期性模式，波动范围在±0.2以内。虽然峰值误差达到1.0，但整体误差维持在合理范围内。
（2）结论：尽管存在一些周期性的误差波动，但由于误差分布在合理范围内，模型的预测性能是稳定和可靠的。

图5：评价指标

训练误差：0.0020463
（1）训练误差的均方误差（MSE）较小，这表明在训练集上的拟合效果很好。通常，MSE越小，意味着模型的预测结果与实际目标之间的差距越小。
（2）0.0020463的误差值相对较小，表明模型在训练过程中能够很好地学习到数据的规律。

测试误差：0.15547
（1）测试误差的均方误差（MSE）显著大于训练误差，表明模型在训练集和测试集之间的泛化能力存在差异。这通常表明存在一定的过拟合问题，即模型在训练数据上表现很好，但对新的、未见过的数据（测试数据）预测效果较差。
（2）0.15547的误差相对较大，表明测试集的预测结果与实际目标之间的差距较大，可能存在一定的误差积累。

总结：训练误差较小表明模型在训练数据上拟合得较好，但测试误差较大则指示模型的泛化能力较弱。您可以通过一些正则化和调整策略来提高模型对未见过数据的预测能力。