电子测量技术 第4O卷第11期 2017年l1月 ELECTR0NIC MEASUREMENT TECHN0L0GY BP神经网络预测控制在色素得率的应用 程换新 孟祥勇 崔丽洁 孔玲玲。 (1.青岛科技大学自动化与电子工程学院青岛266061;2.核工业理化工程研究院天津30018O) 摘要:根据葡萄皮色素提取工艺过程中的提取剂浓度、温度、pH、时间等影响因素与输出结果色素提取率这一变量 之间的非线性关系,建立了改进的BP神经网络预测模型。针对传统BP学习算法收敛速度慢、存在局部极值等不足, 引入动量项以改进该学习算法。结合实际数据,运用迭代优化的控制算法对网络的权值和阈值进行不断训练并利用 MATLAB进行仿真验证。研究结果证明了改进后的BP神经网络对色素提取率的预测控制具有精度高、泛化能力 强,实用性强的优点,为色素得率提供了良好的理论基础和预测方法。 关键词:BP神经网络;色素得率;预测控制;MATLAB 中图分类号:TP29 文献标识码i A 国家标准学科分类代码:510.8060 Application of BP neural network predictive control in pigment yield Cheng Huanxin Meng Xiangyong Cui Lijie Kong Lingling (1.College of Automation Engineering,Qingdao University of Science&Technology,Qingdao 266061,China; 2.Research Institute of Physical&Chemical Engineering of Nuclear Industry,Tianjin 300180,China) Abstract:According to the nonlinear relationship between influencing factors including extracting agent concentration, temperature,pH and time In the extraction process of grape skin pigment and the outputs pigment extraction yield,the improved BP neural network prediction model is established.The traditional BP learning algorithm exists the deficiencies of a slow convergence speed and local extremum,momentum term is introduced tO improve learning algorithm.The weights and thresholds of the network are trained、simulated and verified by MATLAB continually using iterative optimization control algorithm on the actual datas.The improved BP neural network has the advantages of high precision,strong generalization ability and strong practicability for pigment extraction yield prediction control, providing a good theoretical basis and prediction method for pigment yield. Keywords:BP neural network;yield of pigment;predict control;MATLAB 0 引 言 苷提取物。 本文根据色素提取工艺流程的多因素影响0],深入分 析了在提取过程中温度、时间、PH、乙醇浓度等因素的影 响,结合BP神经网络及其控制应用的原理,根据实验样本 的不断训练建立成熟可靠实用的网络模型,用训练好的预 测模型在相关真实数据的基础上预测色素得率,从而仿真 验证了影响色素得率工艺的主要控制变量。 色素是一种重要的食品添加剂,在食品、医药、化妆品 等行业有着广泛的应用,研究发现,色素的合成大多具有慢 性毒性和致癌致癌作用,给人类健康带来威胁。所以寻求 安全性更好的天然色素,尤其是以农作物和果蔬类作为原 料提取出的天然食用色素成为国内外研究的热点 ]。葡萄 皮色素组成成份比较复杂,在该色素的提取的过程当中,影 响因子又参差不齐,故而采用色素得率为指标进行评价,综 合考虑了与药效相关的各项主要指标,能够全面、科学的对 提取工艺进行评价和优化。天然植物色素初提液可用不同 1 色素提取工艺简介 1.1 提取剂浓度对色素得率的影响 分别称取5.0 g过24目筛的葡萄皮于烧杯中,再分别 加入90 mL浓度为1O%、2O 、3O 、4O 、50 乙醇,调节 6O℃的水浴锅中,温浸30 min,趁热过滤于锥形瓶中,然后 有机溶剂或不同的酶水解的方法进行萃取纯化,也可以通 种方法,即吸附洗脱得方法过柱子得到不同极性的花色 收稿日期:2017-04 过加入醋酸铅得到沉淀的方法进行萃取纯化 ]。还有另外 各浓度乙醇的pH为3.00±0.02,浸泡24 h后,放置在 一・ 71 ・ 第4O卷 电 子 测 量技术 网络初始化 转移到圆底烧瓶中,减压浓缩后加入无水乙醇,静置一会 后,过滤除去沉淀,旋蒸至挂壁,减量法称重,计算其色素 得率 。 1.2 乙醇体积对色素得率的影响 给定样本输入和目标输出 分别称取5.0 g过24目筛的葡萄皮,分别加入pH 3.00±0.02的2O%乙醇45、6O、75、90、105 mL,浸泡24 h 后,放置于6O℃的水浴锅中,温浸30 min,趁热过滤于锥形 求隐含层和输出层各单元输出 计算实际输出和期望值的误差 瓶中,然后转移到圆底烧瓶中,减压浓缩后加入无水乙醇, N 静置一会后,过滤除去沉淀,旋蒸至挂壁,减量法称重,计算 误差是否满足 其色素得率。 1.3提取时间对色素得率的影响 分别称取5.0 g过24目筛的葡萄皮,加入pH3.00± 0.02的20 乙醇90 mI ,浸泡24 h后,放置于6O℃的水浴 锅中,分别温浸2O、3O、4O、5O、60 rain,趁热过滤于锥形瓶 中,然后转移到圆底烧瓶中,减压浓缩后加入无水乙醇,静 置一会后,过滤除去沉淀,旋蒸至挂壁,减量法称重,计算其 色素得率。 1.4提取温度对色素得率的影响 分别称取5.0 g过24目筛的葡萄皮,加入pH3.00± 0.02的2O 乙醇9O mL,浸泡24 h后,分别放置于4O、5O、 6O、7O、80℃的水浴锅中,温浸30 rain,趁热过滤于锥形瓶 中,然后转移到圆底烧瓶中,减压浓缩后加入无水乙醇,静 置一会后,过滤除去沉淀,旋蒸到挂壁,减量法称其重,算出 其色素得率。 1.5提取PH对色素得率的影响 分别称取5.0 a过24目筛的葡萄皮,分别加入pH为 1.oo ̄o.02、2.OO±o.02、3.oo±o.02、4.oo-_o.02的2O !-乙醇90 mL,浸泡24 h后,分别放置于6O℃的水浴锅中,温 浸30 min,趁热过滤于锥形瓶中,然后转移到圆底烧瓶中, 减压浓缩后加入无水乙醇,静置一会后,过滤除去沉淀,旋 蒸到挂壁,减量法称其重,计算其色素得率。 2 BP神经网络 人工神经网络是一个高度并行的非线性系统,由大量 简单的处理单元相互连接,具有大规模并行处理的特点,具 有高度非线性和复杂的逻辑运算能力。理论上通过系统的 实际输出与期望输出之间的误差来调整神经网络的突触权 值,即让神经网络学习,可以逼近任何非线性映射 ]。反向 传播学习算法(BP)是LMS算法的推广,两个算法均采用 相同的代价函数即均方误差,通过不断输入样本使算法调 整网络的参数以使均方误差最小化。依据实际输出和期望 输出之差,依次调整网络权值的多层前馈型神经网络,被称 为BP神经网络 。]。BP网络具有实现任何复杂非线性映 射的功能、可在任意精度范围内表达复杂的非线性映射、具 有泛化能力。其流程如图1所示。 2.1建立BP神经网络 影响色素得率的主要因素是提取剂浓度、乙醇体积、提 ・ 72 ・ \/ J Y 将训练权值矩阵存盘 训练结束 图1 BP神经网络流程 取时间、提取温度和pH值,将这5个主要影响因素作为 BP神经网络的输入,输出为色素得率以构建一个多输入单 输出的BP神经网络模型。本模型包含输入节点数为M的 输入层、隐层节点数为K的隐含层和输出节点数为N的输 出层,如图2所示。该模型各层定义如下 ]。 输入层输出: :I ,m一1,2,…,M (1) M 隐含层输出: —f ( 砌 +b ) (2) m一1 输出层输出: 一f。( 硼 O +b ) (3) =1 式中:输入层输入变量I ,输入层的输出量O ,输入层的输 入 ,隐含层的输出量O ,输入层节点m和隐含层节点k 间的权值 ,输入层结点m,与隐含层结点k,隐含层阚值 b ,结点k与输出层结点 间的权值硼 ,输出层阈值b 。 输入层 隐含层 输出层 图2神经网络的结构 2.2 BP神经网络的参数调整及实现 为了克服BP神经网络的固有缺点,本文采用了l M 算法。LM算法实际上是梯度下降法和牛顿法的组合 ], 它的优点在于梯度下降法越接近最优值下降速度越慢,在 下降梯度趋零时,目标函数下降速度减慢,拟牛顿算法可在 最值附近产生理想的搜索方向,两者结合的LM法的网络 权值数目较少时收敛非常迅速l】 。 程换新等:BP神经网络预测控制在色素得率的应用 在训练中,动量项被添加到权重和阈值校正算法,这相 当于阻尼项,减少了学习过程中的震荡趋势,改善了收敛性 第l1期 影响得率的主要因素有乙醇浓度、乙醇用量、提取时间、提 取温度和提取pH值,5个主要因素为模型色素的输入量, 将色素得率作为输出量。则输入量的向量X=(X ,X , X。,X ,X ) 输出量向量Y一(y )一维向量。在设计中选 能。利用前修正值来平滑学习路径,避免陷入局部极小值, 加速学习速度。 对网络的输出是先对网络隐含层小波结点的输出加权 择了3层BP神经网络预测结构,输入层节点数为5个,输 求和,再经Sigmoid函数变换后得网络输出减少训练过程 中发散的可能性[】 ,极大的改进了以搜索方法为核心的迭 出层神节点数为1个,隐含层节点数为11个,隐含层函数 采用函数tansig( )一2/(1+exp(一2n))一1,输出层函数 代优化算法 。 设系统输入输出样本组数P(P=1,2,3,…,P),学习 采用函数purelin即 =z。因此可确定色素得率的网络预 测模型[1。 如图3所示。 率为、动量因子满足0< <1),77>0。则系统的目标函 数为: E一∑E : ∑∑( :一 ) (4) 式中:指代的是输出层第P个结点的期望输出为网络实际 输出。具体调整要求如下。 1)输入层与隐含层结点之间的权值调整式: =叫 old+叩 +).AW ̄ld (5) …。: = 一 ( ・器 : (6) 式中: 、 new为分别是输入层与隐含层调整前与调整后 的权值,△ 为输入层和隐含层的动量项, 、以为分别是 隐含层和输出层权值的变化量,O=}、 为分别是隐含层第P 个节点的输出量和输入,z:为输入层第P个节点输入。 2)对隐含层与输出层之间的权值调整为: — 叫嚣 一 +叩’ : + △叫 (7) 一 一( 一 )・ (1一y.P) (8) 式中:训 为调整前隐含层与输出层的权值,调整后隐含层 与输出层的权值叫 ,隐含层与输出层的动量项△训 。 BP神经网络控制算法的具体实现步骤如下: 1)初始化设置。设置所有的突触权值和阈值,将其随 机数最小。BP神经网络连接权值,学习率和动量因子初始 化,并设置优化目标,随机生成初始权值序列训(O)置输入 样本计数器P一1。 2)计算输入样本的期望输出并且测得到网络实际输 出,当训练样本不足时循环输入。 3)求梯度向量和误差。 4)决定方向并算出学习速率。 5)调节BP网络参数且输入下一样本。 6)停机测试。当每个回合的均方误差变化的绝对速 率足够小时,认为反向传播算法已经收敛。若E(叫(是))< £,则停机;否则置p一户+1,转步骤2)循环。 3色素提取工艺的BP神经网络模型 色素提取工艺受到多方面因素影响,为保证建立神经 网络预测模型要合理选择主控因素。经过分析与实验得, 输入层 隐含层 输出层 图3 BP神经网络的预测模型 归一化的基本思想是修正网络误差性能函数,使网络 得到较小的权值和阈值,从而使响应变得平滑,进而减少过 度适应。由于各变量代表不同的物理量,取值范围差别很 大,为避免主控因素对网络训练和预测结果造成误差,要对 数据作归一下处理以提高网络训练精确度。具体公式如下 所示: x 一 (9) 式中:x…、x一、x 分别为原始数组的最大和最小值及实 测值,归一化数据值。前8O组样本作为训练样本,后4O组 作为预测样本。训练前归一化的处理使每个节点的数值均 在在O~1,设置模型的训练函数为trainlm,其他为默认数 值。各个训练参数分别为预测精度g0nz 0.000 1,学习速 率Ir=0.001,训练次数epochs=1 000,每间隔100步显示 一次训练结果。对BP神经网络进行学习训练,当训练误 差达到最小时停止训练并验证预测数值,经过实验可知训 练到650次时,系统误差达到最小值,如图4所示。 通过训练,得出神经网络模拟输出的样本和实际输出 曲线,如图5所示。 4与晌应面法【1 (response surface method)实验 结果比较 利用Design Expert8.0.6.1软件对实际数据进行多 元回归拟合,得到色素得率对提取剂浓度(X )、乙醇体积 (X )、提取温度(X )的二次多元回归模型: ・ 73 ・ 第4O卷 电 子测 量技术 Q∞uv J0E叫 2g g0苫 0 lo0 200 3o0 40o 500 600 650 Epochs 图4第650次迭代优化后数据误差 图5模型对得率的预测值和实际值比 Q一~119.38991+1.218X +0.86413X2+2.74298X3+ 3.25E—O.03X X2—0.013075 X1墨+0.017275X 一 O.O1366X1 一0.01346X2 一0.030235X3 (R2—0.9981) 表1二次回归模型方差分析 方差袭潭平方和 自由度均方差 F售P值 息模型 53.M 9 5.91 1872.20 (o.o∞ -Vl 0・035 1 0.035 10-∞0-Oog0 l-45 l 1-45 458.OT (。・0001 3.26 1 3.26 1032.g8 ∞・0001 ^ o・相 1 0.船 15o.6T <0-o0ol ^ 3・姑 1 3-42 lo83.80 旬・o∞i 5-9 1 5.97 №1.91 ∞・㈨l 16.48 1 i6.48 5222.58 (0 O∞l l6.00 1 18.00 5070.7 ∞.0001 卫 I5.94 1 l5.94 5054.04 <O-o。Ol 残差 0.0∞ 9 3.15 ̄-0.03 失拟项0.016 5 3.1T9E_o.03 L02 0.∞ 纯误差 0.013 4 3.12 ̄-0.03 总变异 oo 19 由表l可知,X2、X3、X1 、X2 、X3 、X1X2、XlX3、 X X。的P<O.000 1,故这8项均表现出极显著的水平。而 对于x,来说,P>O.05,则表现出不显著的水平。进一步对 该回归模型进行显著性检验发现,模型的决定系数为R 一 0.998 1,表明预测值与实测值之间的相关性良好;为增加 模型预测的可靠性,将R 给予适当的调整R adj=0.998 9, ・ 74 ・ 则仅有0.86 的响应值的总变异不能用该模型表示。失 拟项的P>O.05,故失拟项不显著,则说明该回归模型与实 测值能较好地拟合。 根据单因素实验选出对提取率影响较大3个因素进行 星点的因素和水平设计进行响应面设计,得到拟合的回归 方程模型并对其进行回归方差分析。参照理论上的优化条 件进行试验,结果为提取率的平均值与理论提取率接近,两 者之间的RSD为0.862%。 本模型通过训练得出平均绝对误差:aTls为0.426 8, 提取率的平均值与理论提取率之间的RSE一0.8001 ,通 过对比得出BP神经网络用于色素得率的预测模型要优于 RSM实验的结果。 5 结 论 在色素提取工艺中改变影响色素得率的主要因素是提 高色素得率的重要手段,这点运用化学常用的RSM方 法 得到验证,但是RSM的运用比较繁琐。优化改进后 的BP神经网络用于色素得率的预测有比较高的预测精度 ] ] ] ] ]及实用性 ,这在模拟仿真中也得到了成功验证并且预测 的精确度和实用性比较高,为提高色素得率提供了良好的 理论基础和预测方法。未来可以在此方向上重点研究以取 得更好的应用。 参考文献 [1] 肖正春,张广伦.我国植物食用色素资源开发利用评 价[J].中国野生植物资源,2014 ̄,33(1):45—54 李艳平,马西平.葡萄皮色素提取工艺研究[J].中国 南方果树,2010,39(6):57-58. 赵珍珍.红肉火龙果色素提取工艺优化及其化学成份 分析[D].福州:福建农林大学,2012, 罗漩,李颖,邓艳芹.响应面法提取葡萄皮色素及其稳 定性的研究[J].中国调味品,2015,40(2):104一l13. 刘春,马颖.遗传算法和神经网络结合的PSD非线性 校正口].电子测量与仪器报,2015,29(8):1157—1163. 杨国强.基于模糊自适应控制的锅炉温度控制[J].轻 工机械,2013,31(2):52—55. 丁硕,常晓恒.I 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