畢業(yè)設(shè)計（論文）基于CMAC的過熱蒸汽溫度控制研究

1、學(xué) 號 密 級 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文基于 cmac 的過熱蒸汽溫度控制研究院（系）名 稱：自動化學(xué)院專 業(yè) 名 稱：自動化學(xué) 生 姓 名：指 導(dǎo) 教 師：2010 年 6哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文摘要現(xiàn)代船舶鍋爐的過熱器是在高溫、高壓條件下工作的部件，它對于船舶蒸汽動力裝置的安全經(jīng)濟運行有著重大影響。若過熱器內(nèi)蒸汽溫度過高，則會燒壞過熱器高溫段；若溫度過低，則會降低熱效率和影響汽輪機安全運行。 因此，嚴(yán)格控制過熱蒸汽溫度在給定值附近是船舶蒸汽動力裝置的一個重要任務(wù)之一。過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的被控對象慣性和延遲較大，具有非線性、時變等特點。尤其是大容量、高參數(shù)的船舶控制系統(tǒng)，被控對象更

2、加復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的要求更高，常規(guī)的汽溫串級控制已經(jīng)不能滿足要求。小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更好的非線性逼近能力，更適合于復(fù)雜動態(tài)環(huán)境下的非線性實時控制。本論文首先根據(jù)船舶鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的工作原理，建立了過熱蒸汽溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，然后，對常規(guī)pid控制算法和cmac控制算法進(jìn)行了分析和研究，并設(shè)計了基于常規(guī)pid控制器和基于cmac與pid的復(fù)合控制器。最后應(yīng)用matlab軟件分別進(jìn)行了常規(guī)pid控制和cmac與pid復(fù)合控制仿真，并對二者的控制效果進(jìn)行比較。仿真結(jié)果表明，cmac與pid的復(fù)合控制效果要優(yōu)于常規(guī)pid控制，具有更快的控制響應(yīng)速度，實時性好，抗干擾能力

3、強。 cmac與pid復(fù)合控制方法應(yīng)用在船舶過熱蒸汽溫度控制中，可以改善過熱蒸汽溫度控制的品質(zhì)。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文關(guān)鍵詞：過熱蒸汽溫度；cmac 與 pid 復(fù)合控制；simulink 仿真；串級汽溫調(diào)節(jié)哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文abstractmodern ship boiler superheater is working in high temperature and high pressure conditions components, it has a significant impact on the safety of the ship steam power pl

4、ant on economic performance. if the overheated steam temperature inside is too high，the high temperature superheater section will be burned; if the temperature is too low, it will reduce the thermal efficiency and impact the safe operation of steam turbine. therefore, strict control of overheated st

5、eam temperature at a given value in the vicinity is one of the important tasks of the ship of a steam power plant. the controlled object of overheated steam temperature control system is large inertia and delay, nonlinear, time-varying characteristics. especially in the high-capacity, high parameter

6、 ship control system, the controlled object is more complex and takes more demanding on the control system. conventional steam temperature cascade control strategy can no longer meet the requirements. cmac neural network has better nonlinear approximation ability than general neural network, is more

7、 suitable for complex nonlinear dynamic real-time control environment. this paper take ships overheated steam temperature control system as the research object . firstly, a superheated steam temperature cascade control system model have established,. then, the cmac and pid compound controller of the

8、 superheated steam temperature system is designed, according to the analysis of traditional pid control algorithm and fuzzy pid control algorithm. finally, simulation of the control system based on the two algorithms is carried out, using matlab software. in addition, the simulation results of cmac

9、and pid compound control are compared to those of traditional pid control. the simulation results show that the cmac and pid compound control is superior to traditional pid control, and can arrive at a satisfying control effect, 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文with faster response speed, shorter transition time, and

10、strong adaptability. the application of cmac and pid compound control in the ship overheated steam temperature control system, can improve the quality of s overheated steam temperature control.key words: overheated steam temperature; cmac and pid compound control ; simulation; steam temperature casc

11、ade control哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文目 錄第 1 章緒論11.1論文選題背景、目的和意義11.2目前本課題國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀21.2.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展21.2.2cmac 研究現(xiàn)狀51.2.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 pid 控制相結(jié)合的研究現(xiàn)狀61.3本課題的主要研究內(nèi)容6第 2 章船舶過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型82.1過熱氣溫對象的靜態(tài)特性和動態(tài)特性82.1.1蒸汽負(fù)荷擾動對汽溫的影響82.1.2減溫水流量擾動下的汽溫對象動態(tài)特性102.2過熱蒸汽溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)112.3過熱蒸汽溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)122.4本章小結(jié)13第 3 章pid 控制系統(tǒng)及 cmac 與 pid 復(fù)合控制系統(tǒng)的設(shè)

12、計143.1基于常規(guī) pid 控制器的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計143.2cmac 與 pid 復(fù)合控制的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 163.2.1cmac 算法163.2.2camc 網(wǎng)絡(luò)與 pid 復(fù)合控制 193.3本章小結(jié)21第 4 章基于 matlab 控制算法研究及仿真224.1matlab簡介224.3基于常規(guī) pid 的過熱蒸汽溫度控制仿真研究254.4基于 cmac 與 pid 復(fù)合控制的過熱蒸汽溫度控制仿真研究284.5常規(guī) pid 控制與基于 cmac 與 pid 復(fù)合控制的仿真結(jié)果對比與分哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文析334.6本章小結(jié)33結(jié)論35參考文獻(xiàn)36致謝38哈爾濱

13、工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文1第 1 章緒論1.1論文選題背景、目的和意義在船舶蒸汽動力裝置中，過熱蒸汽溫度是鍋爐運行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，過熱蒸汽溫度過高，可能造成過熱器、蒸汽管道和汽輪機的高壓部分損壞;過熱蒸汽溫度過低，會引起熱耗上升，并使汽輪機軸向推力增大而造成推力軸承過載，還會引起汽輪機末級蒸汽溫度增加，從而降低蒸汽機的內(nèi)效率，加劇對葉片的侵蝕，所以將過熱蒸汽溫度控制在給定值附近是船舶蒸汽動力裝置的重要任務(wù)。鑒于過熱蒸汽溫度系統(tǒng)的被控對象慣性和延遲較大，具有非線性、時變等特點。尤其在大容量、高參數(shù)的船舶控制系統(tǒng)，被控對象更加復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的要求更高，常規(guī)的汽溫串級控制已經(jīng)不能滿足要求。小腦模

14、型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（cmac）比一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更好的非線性逼近能力，更適合于復(fù)雜動態(tài)環(huán)境下的非線性實時控制。本課題以船舶過熱蒸汽溫度系統(tǒng)為研究對象，研究 cmac 與 pid 復(fù)合控制方法在船舶過熱蒸汽溫度控制中的應(yīng)用，以改善過熱蒸汽溫度控制的品質(zhì)。近年來國內(nèi)外對大型鍋爐過熱蒸汽溫度優(yōu)化控制的研究十分活躍，但目前廣泛應(yīng)用的優(yōu)化控制策略仍然基于常規(guī)的線性 pid 控制器，難于取得優(yōu)良的控制品質(zhì)，嚴(yán)重影響了鍋爐的安全、經(jīng)濟運行。究其原因為：（1）傳統(tǒng)的 pid 控制系統(tǒng)，只是根據(jù)鍋爐過熱汽溫系統(tǒng)某一負(fù)荷點上的對象特性(傳遞函數(shù))來設(shè)計的，但其狀態(tài)大范圍變化時，動態(tài)特性往往變化較大，即被控對象存在嚴(yán)重的非

15、線性，因此，常規(guī) pid 控制系統(tǒng)在整個負(fù)荷范圍內(nèi)不可能是全局最優(yōu)的；（2）pid 控制規(guī)律是線性的，而鍋爐過熱汽溫對象具有強烈的非線性，無論對常規(guī)控制系統(tǒng)如何優(yōu)化，總是突破不了用線性控制器來控制非線性對象的這一局限性，控制品質(zhì)提高必定會受到限制，要進(jìn)一步提高控制品質(zhì)，應(yīng)研究采用基于熱力系統(tǒng)非線性模型的新型優(yōu)化控制系統(tǒng)。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文2由于船舶過熱蒸汽溫度系統(tǒng)這種復(fù)雜系統(tǒng)具有與簡單系統(tǒng)所不同的特點，及復(fù)雜系統(tǒng)的不確定性、非線性、時變和多變量、強耦合等，使傳統(tǒng)控制方法無法對其進(jìn)行控制。為了解決這種復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制問題，智能控制方法應(yīng)運而生，小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為智能控制的一個重要分

16、支，在復(fù)雜系統(tǒng)控制方面具有明顯的優(yōu)勢，并已經(jīng)取得了較為廣泛的應(yīng)用。1.2目前本課題國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.2.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展自 20 世紀(jì) 40 年代，隨著神經(jīng)解剖學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)以及神經(jīng)元的電生理過程等的研究取得突破性進(jìn)展，人們對人腦的結(jié)構(gòu)、組成及最基本工作單元有了越來越充分的認(rèn)識，在此基本認(rèn)識的基礎(chǔ)上，綜合數(shù)學(xué)、物理學(xué)以及信息處理等學(xué)科的方法對人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象，并建立簡化的模型，稱為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ann(artificial neural network)。目前，關(guān)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定義尚不統(tǒng)一，按美國神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)家 hecht nielsen 的觀點，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定義是：“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由多個非常

17、簡單的處理單元彼此按某種方式相互連接而形成的計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)靠其狀態(tài)對外部輸入信息的動態(tài)響應(yīng)來處理信息的”。綜合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的來源、特點和各種解釋，它可簡單地表述為：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種旨在模仿人腦結(jié)構(gòu)及其功能的信息處理系統(tǒng)。9現(xiàn)代意義上對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究一般認(rèn)為從 1943 年美國芝加哥大學(xué)的生理學(xué)家 w.s. mcculloch 和 w.a. pitts 提出 m-p 神經(jīng)元模型開始，到今年正好六十年。在這六十年中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展走過了一段曲折的道路。1965年 m. minsky 和 s. papert 在感知機一書中指出感知機的缺陷并表示出對這方面研究的悲觀態(tài)度，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究從興起期進(jìn)

18、入了停滯期，這是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展史上的第一個轉(zhuǎn)折。到了 20 世紀(jì) 80 年代初，j.j. hopfield 的工作和 d. rumelhart 等人的 pdp 報告顯示出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的巨大潛力，使得該領(lǐng)域的研究從停滯期進(jìn)入了繁榮期，這是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展史上的第二個轉(zhuǎn)折。到了 20 世紀(jì) 90 年代中后期，隨著研究者們對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局限有了更清哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文3楚的認(rèn)識，以及支持向量機等似乎更有前途的方法的出現(xiàn)，“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”這個詞不再象前些年那么“火爆”了。很多人認(rèn)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究又開始陷入了低潮，并認(rèn)為支持向量機將取代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。有趣的是，著名學(xué)者 c.-j. lin 于2003 年 1 月在德

19、國馬克斯普朗克研究所所做的報告中說，支持向量機雖然是一個非常熱門的話題，但目前最主流的分類工具仍然是決策樹和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由著名的支持向量機研究者說出這番話，顯然有一種特殊的意味。事實上，目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的境遇與 1965 年之后真正的低潮期相比有明顯的不同。在 1965 年之后的很長一段時期里，美國和前蘇聯(lián)沒有資助任何一項神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究課題，而今天世界各國對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究仍然有大量的經(jīng)費支持；1965 年之后 90%以上的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究者改變了研究方向，而今天無論是國際還是國內(nèi)都有一支相對穩(wěn)定的研究隊伍。實際上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在1965 年之后陷入低潮是因為當(dāng)時該領(lǐng)域的研究在一定意義上遭到了否定，而今天的相

20、對平靜是因為該領(lǐng)域已經(jīng)走向成熟，很多技術(shù)開始走進(jìn)生產(chǎn)和生活，從而造成了原有研究空間的縮小。在科學(xué)研究中通常有這么一個現(xiàn)象，當(dāng)某個領(lǐng)域的論文大量涌現(xiàn)的時候，往往正是該領(lǐng)域很不成熟、研究空間很大的時候，而且由于這時候人們對該領(lǐng)域研究的局限缺乏清楚的認(rèn)識，其熱情往往具有很大的盲目性。從這個意義上說，過去若干年里各領(lǐng)域研究者一擁而上、各種專業(yè)刊物滿眼“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的風(fēng)光，其實是一種畸形繁榮的景象，而對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)在才進(jìn)入了一個比較理智、正常的發(fā)展期。在這段時期中，通過對以往研究中存在的問題和局限進(jìn)行反思，并適當(dāng)借鑒相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，將可望開拓新的研究空間，為該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)

21、的控制稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(nnc)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制具有以下優(yōu)點：(1)能夠充分逼近任意復(fù)雜的非線性系統(tǒng)；(2)能夠?qū)W習(xí)和適應(yīng)嚴(yán)重不確定系統(tǒng)的動態(tài)特性；(3)由于大量神經(jīng)元之間廣泛連接，即使少量神經(jīng)元或連接損壞，也不影響系統(tǒng)的整體功能，表現(xiàn)出很強的魯棒性和容錯性；(4)采用并行分布處理方法，使得快速進(jìn)行大量運算成為可能。這些特點顯示了神哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文4經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在解決高度非線性和嚴(yán)重不確定性系統(tǒng)的控制方面具有很大潛力。目前有代表性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有：（1）bp 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)它是一種多層前饋網(wǎng)絡(luò)，采用最小均方差的學(xué)習(xí)方式，是使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)，可用于語言綜合、語言識別、自適應(yīng)控制等。缺點是僅為有導(dǎo)師

22、訓(xùn)練，訓(xùn)練時間長，對某些特殊問題，運行時間可能需要幾個小時，易陷入局部極小值，訓(xùn)練過程學(xué)習(xí)新樣本時有時有遺忘舊樣本的趨勢。（2）rbf 網(wǎng)絡(luò)它是一類非常有效的的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，其神經(jīng)元基函數(shù)具有僅在微小局部范圍內(nèi)才產(chǎn)生有效的非零響應(yīng)的局部特性，因而可以在學(xué)習(xí)過程中獲得高速化。缺點是由于高斯函數(shù)的特性，該網(wǎng)絡(luò)難以學(xué)習(xí)映射的高頻部分。（3）bam 雙向聯(lián)想記憶網(wǎng)它是由相同神經(jīng)元構(gòu)成的雙向聯(lián)想式單層網(wǎng)絡(luò)，具有學(xué)習(xí)功能，缺點是存儲度低且需要編碼。（4）hopfield 網(wǎng)絡(luò)它是最典型的反饋網(wǎng)絡(luò)模型，是目前人們研究的最多的模型之一。該網(wǎng)絡(luò)是由相同的神經(jīng)元構(gòu)成的單層網(wǎng)絡(luò)，不具有學(xué)習(xí)功能的自聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)，需要堆成

23、連接。這個網(wǎng)絡(luò)可以完成制約優(yōu)化和聯(lián)想記憶等功能。（5）cmac 小腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這是根據(jù)小腦的生物模型提出的一種神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型，它是一種聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)，對每一輸出只有少部分神經(jīng)元與之相關(guān)，其最大的特點就是它的聯(lián)想具有局部泛化能力，并有學(xué)習(xí)速度快、無局部極小點等性質(zhì)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特有的非線性適應(yīng)性信息處理能力，克服了傳統(tǒng)人工智能方法對于直覺，如模式、語音識別、非結(jié)構(gòu)化信息處理方面的缺陷，使之在神經(jīng)專家系統(tǒng)、模式識別、智能控制、組合優(yōu)化、預(yù)測等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其它傳統(tǒng)方法相結(jié)合，將推動人工智能和信息處理技術(shù)不斷發(fā)展。近年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正向模擬人類認(rèn)知的道路上更加深入發(fā)展，與模糊系統(tǒng)、遺傳算

24、法、進(jìn)化機制等結(jié)合，形成計算智能，成為人工智能的一個重要方向，將在實際應(yīng)用中得到發(fā)展。將信息幾何應(yīng)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文5研究，為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論研究開辟了新的途徑。1.2.2cmac 研究現(xiàn)狀cmac是albus根據(jù)小腦的工作原理提出的一種神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型，稱為cmac模型或cmac神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它是一種前向網(wǎng)絡(luò)，對每個輸出只有少部分神經(jīng)元與之相關(guān)，其最大的特點就是它的聯(lián)想具有局部泛化能力，也可以叫做推廣能力，就是說相似或相近的輸入能夠產(chǎn)生相似的輸出，相差很遠(yuǎn)的輸入會產(chǎn)生基本上獨立的輸出。雖然從單個神經(jīng)元看cmac是一種線性關(guān)系，但是從總體上來說它是一種非線性的映射。由于

25、cmac神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法采用算法，其收斂速度比bp算法快得多且不存在局部極小問題，特別是它把一個多維狀態(tài)空間的輸入量，映射到一個比較小的區(qū)域上，只要對多維狀態(tài)空間中的部分樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，就會使得優(yōu)化的過程大大簡化。因此cmac模型逐漸引起人們的興趣并在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。cmac是一種非線性的映射，但它的自適應(yīng)學(xué)習(xí)是線性映射部分，所以其學(xué)習(xí)算法是一種簡單的線性優(yōu)化，且不存在局部極小值問題，具有學(xué)習(xí)算法簡單、收斂速度快等優(yōu)點。另外，其數(shù)字硬件設(shè)計也易于實現(xiàn)。由于cmac神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有上述的優(yōu)點，被成功應(yīng)用于許多實對系統(tǒng)控制、模式識別、非線性函數(shù)映射及信號處理等領(lǐng)域。近年來，有一系列文獻(xiàn)對傳統(tǒng)的cma

26、c神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要的局限性問題進(jìn)行了改進(jìn)。在albus提出的cmac神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，某一狀態(tài)相應(yīng)的激活單元是由一個二進(jìn)制數(shù)表示的。隨后的一些文獻(xiàn)中，挺出了用某些連續(xù)函數(shù)代替二進(jìn)制數(shù)，將二進(jìn)制函數(shù)和連續(xù)的高斯函數(shù)應(yīng)用在函數(shù)逼近問題中，并且進(jìn)行了比較。一些研究人員改進(jìn)了cmac神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練規(guī)則來提高網(wǎng)絡(luò)的泛化能力。sabourin等人提出了一種基于模糊小腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(fuzzycmac)的新方法，可以有效地利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部和全局泛化能力。cmac是為了解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制提出來的，最初主要用來求解機械手的關(guān)節(jié)運動，后來w.t.mille等人又將其成功地應(yīng)用在機器人控制上，哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文6s.

27、cetinkunt等拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，將其應(yīng)用于高精度機械工具的伺服控制上，從而使小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線性控制領(lǐng)域也達(dá)到廣泛的應(yīng)用。目前在控制方面已成功的應(yīng)用到機器人控制、壓電刀架控制、機械系統(tǒng)控制、車輛智能替報、燃料供給系統(tǒng)控制、高速公路故障探測、潛艇傾斜與深度控制等系統(tǒng)中；在其他方面也取得了廣泛的應(yīng)用如：預(yù)校正、消卷積、信道補償、模式識別、圖像編碼、信號處理、打印機色彩校準(zhǔn)、指紋分類鑒別等方面。自從1975年cmac神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出以來，在控制和系統(tǒng)辨識方面都獲得了很好的應(yīng)用，隨著小腦模型理論的發(fā)展，對輸入層、中間層以及本身網(wǎng)絡(luò)特性上進(jìn)行了相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。101.2.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 pid 控制相結(jié)合

28、的研究現(xiàn)狀按偏差的比例、積分、微分控制是歷史最悠久、生命力最強的控制方式，盡管出現(xiàn)了很多新的控制方法，但目前正在運行的控制器中很多還是 pid控制器。為了克服傳統(tǒng) pid 控制器的弱點，控制界提出了大量的對 pid 控制的改進(jìn)方案，其中就包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 pid 控制相結(jié)合，這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和pid 相結(jié)合的研究已經(jīng)取得了不錯的成果。目前已經(jīng)提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 pid 控制相結(jié)合的方法主要是采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定 pid 參數(shù)，這種方法是在傳統(tǒng)的 pid 控制器的基礎(chǔ)上附加一個或多個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能確定和調(diào)整參數(shù)，控制器分為兩個部分，一部分按傳統(tǒng) pid 控制器的 結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)偏差信號進(jìn)行比

29、例、積分和微分處理并加權(quán)相加，這些權(quán)值即為比例、積分和微分系數(shù)；另一部分則為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，一般采用多層前向網(wǎng)，此網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)的輸入和輸出信息，通過反復(fù)的學(xué)習(xí)和調(diào)整，提供第一部分所需的 pid 參數(shù)。1.3本課題的主要研究內(nèi)容本課題主要研究內(nèi)容分為以下幾個方面：(1) 首先，通過查閱資料，掌握 cmac 學(xué)習(xí)算法和特點以及 cmac 與pid 的復(fù)合控制的基本原理；哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文7(2)根據(jù)目前大型船舶鍋爐過熱蒸汽特點，分析鍋爐主汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的對象特性，建立船舶過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的模型；(3)以船舶過熱蒸汽溫度控制為研究對象，設(shè)計基于常規(guī) pid 控制器，并采用 matlab 實現(xiàn)

30、simulink 仿真研究；(4)以船舶過熱蒸汽溫度控制為研究對象，設(shè)計基于 cmac 與 pid 的復(fù)合控制器，并采用 matlab 實現(xiàn) simulink 仿真研究；(5) 根據(jù)基于常規(guī) pid 控制與基于 cmac 與 pid 的復(fù)合控制的系統(tǒng)仿真結(jié)果，分析兩種控制策略下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線，對比其控制效果，并對兩種控制策略在擾動輸入下的抗干擾能力進(jìn)行對比分析。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文8第 2 章船舶過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型鍋爐的過熱蒸汽溫度是整個單元機組汽水行程中工質(zhì)的最高溫度，也是鍋爐的主要參數(shù)，過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的性能優(yōu)劣隊鍋爐運行的安全、經(jīng)濟運行起著重要的作用，本章主要分析鍋爐過

31、熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的對象特性、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和以便提出實際應(yīng)用中的具體控制方案。2.1過熱氣溫對象的靜態(tài)特性和動態(tài)特性船舶蒸汽鍋爐的蒸汽參數(shù)包括氣溫和氣壓，這兩個參數(shù)是表征鍋爐運行狀況的重要指標(biāo)，而蒸汽溫度調(diào)節(jié)的任務(wù)就是維持過熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度在允許變化范圍內(nèi)，并且保護(hù)鍋爐受熱面的安全。以高壓和超高壓鍋爐為例，鍋爐出口蒸汽溫度額定值一般為 540，氣溫的變化范圍為（5405）。但要控制氣溫在此范圍內(nèi)事相當(dāng)困難的，其原因是：造成過熱氣溫變化的原因很多，如負(fù)荷、減溫水量、煙氣側(cè)的過熱空氣系數(shù)及火焰中心位置、燃料成分等都會影響氣溫的變化；在各種擾動下氣溫對象具有非線性、時變等特性，使控制的難度

32、加大；氣溫對象具有大遲延、大慣性的特點，蒸汽過熱受熱面大，這些都加大了控制的難度。影響鍋爐氣溫變化的因素較多且是互相關(guān)聯(lián)，從煙氣側(cè)來說包括燃料量、燃料種類或成分特性、對流吸熱量及輻射吸熱量、進(jìn)入爐內(nèi)燃燒的空氣量、燃燒器的運行方式以及受熱面的潔凈程度等；蒸汽側(cè)包括蒸汽流量、減溫水流量和給水溫度等。22.1.1蒸汽負(fù)荷擾動對汽溫的影響當(dāng)要求鍋爐蒸發(fā)量增加時，控制系統(tǒng)使燃料量和送風(fēng)量增加，流過過熱器對流過熱段的煙量和煙溫都增加，使對流過熱段出口氣溫上升，但此時爐膛溫度基本不變，過熱器輻射過熱段接受熱量基本不變，但此時流過過熱器的蒸汽流量增大，故輻射過熱段出口氣溫下降。過熱氣溫靜態(tài)特性如圖 2.1所示

33、。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文9圖0/50100蒸汽流量輻射式對流式3005005502.1過熱氣溫的靜態(tài)特性鍋爐蒸汽流量擾動時，過熱汽溫的響應(yīng)曲線如圖 2.2 所示，汽溫對象是有慣性、自平衡能力的動態(tài)特性，動態(tài)特性較好，但由于蒸汽負(fù)荷擾動是由外界用戶決定的，所以不能作為控制汽溫的手段。ttc圖 2.2蒸汽流量擾動下汽溫的動態(tài)特性哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文102.1.2減溫水流量擾動下的汽溫對象動態(tài)特性利用減溫器通過直接噴水來改變某段過熱器入口汽溫，可以有效地調(diào)節(jié)該段過熱器的出口汽溫，這是目前應(yīng)用最廣泛的一種汽溫調(diào)節(jié)方法。直接噴水減溫系統(tǒng)示意如圖所示，通過調(diào)整噴水調(diào)節(jié)閥的開度來改變減溫噴水量

34、的多少，以調(diào)節(jié)過熱器的出口汽溫。在采用噴水減溫的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，為了提高調(diào)節(jié)質(zhì)量 一般選擇減溫器后的汽溫作系統(tǒng)的導(dǎo)前信號，用此信號將該段過熱器分成了兩個區(qū)域，即導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)，所組成的對象調(diào)節(jié)通道如圖2.3 所示，傳遞函數(shù)分別用 wo2(s)和 wo1(s)來表示： （2.1）211)(swo圖 2.3過熱汽溫對象的調(diào)節(jié)通道特性示意圖在減溫水量擾動下過熱汽溫導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的響應(yīng)曲線可用圖 2.4 表示。由圖可見其共同點是：有遲延、有慣性、有自平衡能力。但兩者又有明顯的差別即導(dǎo)前區(qū)的遲延和慣性明顯小于情性區(qū)。根據(jù)試驗擾動曲線，可以確定汽溫對象的近似傳遞函數(shù)，一般可用下兩式來表示： （2.2）soes

35、tksw22221)( （2.3）soestksw11111)(哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文11圖 2.4 減溫水?dāng)_動下的汽溫特性汽溫對象的傳遞函數(shù)也可以用多階慣性環(huán)節(jié)來描述： （2.4） 2)1 ()(222nostksw （2.5） 1)1 ()(111nostksw公式（2.4）中，一般 n2=2，公式（2.5）中，一般 n1=4。參考文獻(xiàn)2中具體數(shù)值，得到導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)傳遞函數(shù)。導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為： 22)151 (8)(sswo（2.6）惰性區(qū)傳遞函數(shù)為： （2.7）31)251 (125. 1)(sswo2.2過熱蒸汽溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于目前大型鍋爐多采用噴水減溫方法來調(diào)節(jié)過熱氣溫，

36、所以減溫水?dāng)_動下的氣溫特性屬對象調(diào)節(jié)通道的動態(tài)特性，該特性是氣溫系統(tǒng)分析和整定的依據(jù)。氣溫對象調(diào)節(jié)通道一般存在較大遲延和慣性，單純根據(jù)主汽溫的偏差采用單回路調(diào)節(jié)方案來控制氣溫是不能滿足生產(chǎn)要求，而應(yīng)引入能夠提前哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文12反應(yīng)擾動的導(dǎo)前信號，構(gòu)成多回路系統(tǒng)，目前采用最多的是串級氣溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)。鍋爐的串級氣溫汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)包含兩部分內(nèi)容第是主蒸汽溫度(一次汽溫)的調(diào)節(jié)，第二是再熱蒸汽溫度(二次汽溫)的調(diào)節(jié)。串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理如圖 2.5 所示。減溫器后的汽溫信號2作為串級系統(tǒng)的輔助被調(diào)信號，該信號能夠快速反映擾動，只要2變化，內(nèi)回路就立即動作，用副調(diào)節(jié)器 wo2（s）的輸

37、出去控制減溫水量，使2維持在一定范圍內(nèi)，初步穩(wěn)定出口氣溫1。1的最終校正時通過外回路中主調(diào)節(jié)器 wo1（s）來完成的，調(diào)節(jié)過程結(jié)束時，使過熱器出口汽溫等于其給定值。串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中內(nèi)、外兩個回路的作用是不同的，內(nèi)回路的作用在于盡快消除擾動，主要消除來自減溫水側(cè)的內(nèi)部擾動；外回路的作用在于對出口汽溫進(jìn)行最終校正，使其等于給定值。21wa1（s）wa2（s）zw21圖 2.5串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)2.3過熱蒸汽溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖，可以作出串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理方框圖。由此可見這是一個典型的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文13圖 2.6串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理方框圖wo2

38、(s)導(dǎo)前區(qū)對象傳遞函數(shù)；wo1(s)惰性區(qū)對象傳遞函數(shù)；2導(dǎo)前汽溫2測量裝置傳遞函數(shù)；1主汽溫1測量裝置傳遞函數(shù)；kz執(zhí)行機構(gòu)傳遞函數(shù)；k噴水調(diào)節(jié)閥門傳遞參數(shù)；w1調(diào)節(jié)作用下的減溫水量；w2擾動作用下的減溫水量；w總減溫水量，w= w1+ w22.4本章小結(jié)本章主要通過分析船舶過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的對象特性，分別研究了蒸汽負(fù)荷擾動對主汽溫的影響和減溫水流量擾動下的汽溫對象動態(tài)特性，并根據(jù)目前船舶鍋爐多采用噴水減溫方法，確定了減溫水?dāng)_動下的汽溫特性為汽溫系統(tǒng)分析和整定的依據(jù)。并由此選擇了過熱汽溫串級調(diào)節(jié)方案，建立了船舶過熱蒸汽溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文14第 3

39、章pid 控制系統(tǒng)及 cmac 與 pid 復(fù)合控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1基于常規(guī) pid 控制器的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計pid 控制器（比例-積分-微分控制器） ，由比例單元 p、積分單元 i 和微分單元 d 組成。通過 kp， ki 和 kd 三個參數(shù)的設(shè)定。pid 控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)。 pid 控制器是一個在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進(jìn)行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，pid 控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入

40、值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復(fù)的情況下，一個 pid 反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。在工程實際中，pid 是應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，又稱 pid 調(diào)節(jié)。pid 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 pid 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能

41、通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用pid 控制技術(shù)。pid 控制，實際中也有 pi 和 pd 控制。pid 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（steady-state error）。單獨的比例控制也稱“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系，偏差越大輸出越大。實際應(yīng)用中，比例度的大小應(yīng)視具體情況而定，比哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文15例度太大，控制作用太弱，不利于系統(tǒng)克服擾動，余差太大，控制質(zhì)量差，也沒有什么控制作用；比例度太小

42、，控制作用太強，容易導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，引發(fā)振蕩。對于反應(yīng)靈敏、放大能力強的被控對象，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)使比例度稍大些；而對于反應(yīng)遲鈍，放大能力又較弱的被控對象，比例度可選小一些，以提高整個系統(tǒng)的靈敏度，也可以相應(yīng)減小余差。單純的比例控制適用于擾動不大，滯后較小，負(fù)荷變化小，要求不高，允許有一定余差存在的場合。工業(yè)生產(chǎn)中比例控制規(guī)律使用較為普遍。而在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（system with steady-state error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制

43、器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(pi)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就

44、是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(pd)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。pid 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文16的特性確定 pid 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。pid 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理

45、論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。pid 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 pid 控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系

46、統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到 pid 控制器的參數(shù)。根據(jù)過熱蒸汽溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計基于常規(guī) pid 控制器的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)，在圖 2.6 中副調(diào)節(jié)器 wa2（s）選用 p 規(guī)律，比例系數(shù)為 25，主調(diào)節(jié)器 wa1（s）選用 pid 調(diào)節(jié)器。3.2cmac 與 pid 復(fù)合控制的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計3.2.1cmac 算法cmac 是一種表達(dá)復(fù)雜非線性函數(shù)的表格查詢型自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)可通過學(xué)習(xí)算法改變表格的內(nèi)容,具有信息分類存儲的能力。cmac 把系統(tǒng)的輸入狀態(tài)作為一個指針,把相關(guān)信息分布式地

47、存入一組存儲單元,其本質(zhì)上是一種映射復(fù)雜非線性函數(shù)的查表技術(shù)。cmac 的具體做法是將輸入空間分成許多分塊,每個分塊指定一個實際存儲器位置,每個分塊學(xué)習(xí)到的信息分布式地存儲到相鄰分塊的位置上,存儲單元數(shù)通常比所考慮問題的最大可能輸入空間的分塊數(shù)少得多,故實現(xiàn)的是多對一的映射,即多個分塊映射到哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文17同樣一個存儲器地址上。圖 3.1cmac 結(jié)構(gòu)cmac 的基本思想在于:在輸入空間中給出一個狀態(tài),從存儲單元中找到對應(yīng)于該狀態(tài)的地址,將這些存儲單元中的內(nèi)容求和得到的輸出;將此響應(yīng)值與希望輸出值進(jìn)行比較,并根據(jù)學(xué)習(xí)算法修改這些已激活的存儲單元的內(nèi)容。cmac 網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)時采用

48、的是查表技術(shù),具體做法是:將輸入空間分成許多分塊,每個分塊指定一個實際存儲器位置:每個分塊學(xué)習(xí)到的信息分布式地存儲到相鄰分塊的位置上;存儲單元數(shù)通常比所考慮問題的最大可能輸入空間的分塊數(shù)少得多,故實現(xiàn)的是多對一的映射,即多個分塊映射到同樣一個存儲器地址上。cmac 設(shè)計方法分為:(1)量化(概念映射)。在輸入層中對維輸入空間進(jìn)行劃分,每一個輸入都降落到維網(wǎng)格基的一個超立方體單元內(nèi)。中間層由若干個判斷區(qū)間構(gòu)成,對任意一個輸入只有少數(shù)幾個區(qū)間的輸出為非零值,非零值區(qū)間的個數(shù)為泛化參數(shù) c,它規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部影響網(wǎng)絡(luò)輸出的區(qū)域大小。(2)地哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文18址映射(實際映射)。采用除余數(shù)

49、法,將輸入樣本映射至概念存儲器的地址,除以一個數(shù)得到的余數(shù)作為實際存儲器的地址值,即將概念存儲器中的 c 個單元映射至實際存儲器的 c 個地址。(3)cmac 的函數(shù)計算(輸出)。將輸入映射至實際存儲器的 c 個單元,每個單元中存放著相應(yīng)權(quán)值的輸出為 c 個實際存儲器單元加權(quán)之和。1cmac 模型的具體學(xué)習(xí)步驟為：step1：對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制；step2：確定泛化參數(shù)，一般取 c=10；step3：對量化后的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次映射，每一個輸入隨機對應(yīng) ac中的一個單元，ac 為概念存儲區(qū)域，可能占用大量的空間。實際編程中不表現(xiàn)出來；step4：利用雜散編碼把 ac 中被激活的區(qū)

50、域映射到 ap 中，ap 為物理存儲空間，稱為中間層，從輸入到中間層，每個輸入對應(yīng) c 個區(qū)域，ap 中存放的是網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值；step5：把所有激活的權(quán)值相加作為網(wǎng)絡(luò)的輸出 （3.1）1cmmjjiiiwystep6：計算 cmac 調(diào)整指標(biāo) i=yd-yi是否滿足規(guī)定要求，是，跳出；否，進(jìn)行下一步；step7：誤差大于目標(biāo)值，根據(jù) cmac 調(diào)整指標(biāo) i調(diào)整權(quán)值轉(zhuǎn)到 step5 繼續(xù)；ckwkwijj)() 1(式中學(xué)習(xí)率 和泛化常數(shù) c 是兩個最為重要的參數(shù)。利用上述公式進(jìn)行權(quán)值調(diào)整。為輸入變量激活存儲單元的首地址，的計算公式為：imixim，為輸入量的量化值。)(csmiiis修正方法也可

51、以采用每個樣本修正一次的增量學(xué)習(xí)方法，也可以采用所有樣本都輸入一輪后在修正的批量學(xué)習(xí)方法。對于多維輸入，學(xué)習(xí)公式如下：哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文19（3.2） njcmmtjinjijiiiwyy111式中，n 為輸入變量的個數(shù)。cmac 的三個特點:(1)作為一種具聯(lián)想功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),它的聯(lián)想具有局部推廣能力,即泛化能力,因此相似的輸入將產(chǎn)生相似的輸出,遠(yuǎn)離的輸入將產(chǎn)生獨立的輸出;(2)對于網(wǎng)絡(luò)的每一輸出,只有很少的神經(jīng)元所對應(yīng)的權(quán)值對其有影響,哪些神經(jīng)元對輸出有影響則由輸入決定;(3) cmac 的每個神經(jīng)元的輸入輸出是一種線性關(guān)系,但其總體上可看作一種表達(dá)非線性映射的表格系統(tǒng)。3.2.

52、2camc 網(wǎng)絡(luò)與 pid 復(fù)合控制camc 一開始是被應(yīng)用于機器人控制中，目前有多種控制形式，如camc 直接逆運動控制、camc 前饋控制、camc 反饋控制等，本課題研究的是 camc 前饋控制。camc 與 p1d 復(fù)合控制結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示，該系統(tǒng)通過 camc 和 pid 的復(fù)合控制實現(xiàn)前饋反饋控制，其特點為：(1)小腦模型神經(jīng)控制器實現(xiàn)的前饋控制，實現(xiàn)被控對象的逆動態(tài)模型；(2)常規(guī)控制器實現(xiàn)反饋控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且抑制擾動。camc 采用有導(dǎo)師的學(xué)習(xí)算法。每一控制周期結(jié)束時，計算出相應(yīng)的camc 輸出 un(k)，并與總控制輸入 u(k)相比較，修正僅重，進(jìn)入學(xué)習(xí)過程

53、。學(xué)習(xí)的目的是使總控制輸入與 camc 的輸山之差最小。經(jīng)過 camc 的學(xué)習(xí)，使系統(tǒng)的總控制輸出由 camc 產(chǎn)生。而常規(guī)控制器采用傳統(tǒng)的 pd 算法而不用 pid 控制算法，使 camc 的學(xué)習(xí)僅僅依賴于誤差的當(dāng)時測量值及變化值。該系統(tǒng)的控制算法為： ciiinawku1)(（3.3）哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文20 （3.4）)()()(kukukupn式中，為二進(jìn)制選擇向量，c 為 cmac 網(wǎng)絡(luò)的泛化參數(shù)，為 cmacia)(kun產(chǎn)生相應(yīng)的輸出，為常規(guī)控制器 pid 產(chǎn)生的輸出。)(kup復(fù)合控制在反饋控制的基礎(chǔ)上,引入控制信號的微分(一般為 1 階、2 階微分)作為系統(tǒng)的附加輸入

54、而實現(xiàn)的。這種包括反饋和前饋的復(fù)合控制可以使系統(tǒng)的跟蹤精度和動態(tài)特性大為提高。復(fù)合控制算法步驟:(1)參數(shù)初始化。泛化參數(shù) wi,kp,ki,kd,c。pid 控制器的三個參數(shù) kp,ki,kd 針對具體的控制對象,憑借經(jīng)驗與常規(guī) pid 參數(shù)整定的原理和方法相結(jié)合得出。(2) pid 控制器根據(jù)控制系統(tǒng)的偏差值進(jìn)行控制,直到控制指標(biāo)達(dá)到最小。在此期間,cmac 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí),訓(xùn)練權(quán)值。(3)當(dāng)控制指標(biāo)逐漸減小,直到近似為 0時,控制器進(jìn)行切換,cmac 控制器開始參與控制,逐漸成為主控制器。否則,返回(2)。圖 3.1cmac 與 pid 復(fù)合控制結(jié)構(gòu)圖cmac 的調(diào)整指標(biāo)為： ckuk

55、uken1)()(21)(2（3.5） ipinackuackukuwkekw)()()()()(（3.6）)1()()() 1()(kwkwkwkwkw哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文21 （3.7）式中: 為網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率,(0,1) ;為慣性量, (0,1)。當(dāng)系統(tǒng)開始運行時,置 w=0 ,此時=0 ,系統(tǒng)由常規(guī)控制器進(jìn)行控制。通nu過 camc 的學(xué)習(xí),使 pid 控制器產(chǎn)生的輸出控制量逐漸為零,cmac 產(chǎn)生的輸出控制量逐漸逼近控制器總輸出。)(kun)(ku3.3本章小結(jié)本章在上一章節(jié)建立了船舶過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)過熱蒸汽溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點，分別設(shè)計了基于常規(guī)

56、pid 的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)和基于 cmac 與 pid 復(fù)合控制的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文22第 4 章基于 matlab 控制算法研究及仿真4.1matlab 簡介matlab 是矩陣實驗室（matrix laboratory）的簡稱，是美國mathworks 公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 matlab 和simulink 兩大部分。它具有以下特點:(1)好的工作平臺和編程環(huán)境matlab 由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用 matlab 的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形

57、用戶界面。包括 matlab 桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著 matlab 的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級，matlab 的用戶界面也越來越精致，更加接近 windows 的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機交互性更強，操作更簡單。而且新版本的 matlab 提供了完整的聯(lián)機查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進(jìn)行出錯原因分析。（2）簡單易用的程序語言matlab 是一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面

58、向?qū)ο缶幊烫攸c。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（m 文件）后再一起運行。新版本的 matlab 語言是基于最為流行的 c語言基礎(chǔ)上的，因此語法特征與 c語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計算機專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強，這也是 matlab 能夠深入到科學(xué)研究及工程計算各個領(lǐng)域的重要原因。（3）強大的科學(xué)計算機數(shù)據(jù)處理能力哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文23matlab 作為一個包含大量計算算法的集合。其擁有 600 多個工程中要用到的數(shù)學(xué)運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所

59、需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如 c 和 c+ 。在計算要求相同的情況下，使用 matlab 的編程工作量會大大減少。matlab 的這些函數(shù)集包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復(fù)數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。164.2simulink 仿真簡介

60、仿真技術(shù)作為一門綜合性的科學(xué)已有四十多年的發(fā)展歷史,其間經(jīng)歷了物理模型仿真,模擬計算機仿真和數(shù)字計算機仿真。早期,人們采用計算機高級程序語言對系統(tǒng)進(jìn)行仿真,如 basic、fortran、pascal 等。近些年,c 語言用得最為普遍。用計算機高級程序語言編制的系統(tǒng)仿真程序,不但要詳盡描述各類事件的發(fā)生和處理情況,還要規(guī)定各類事件的處理順序。這樣,即便是一個很簡單的系統(tǒng),程序也會很長,難于調(diào)試。同時,為了設(shè)計出優(yōu)良的人機界面,對數(shù)據(jù)輸入方式和仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)打印格式或圖形表達(dá)形式要大費心思。matlab 作為美國 mathworks 公司推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件,它集數(shù)值分析、矩陣