【正文】 ，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)誤差進一步減小，直到等于零。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。 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。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行調(diào)整和修改。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行最后調(diào)整與完善。 CMAC 與 PID 復(fù)合控制 的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 CMAC 算法 CMAC 是一種表達復(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)。 哈爾濱工程大學(xué)本科生 畢業(yè) 論文 17 圖 CMAC 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 。 CMAC 設(shè)計方法分為 :(1)量化 (概念映射 )。采用除余數(shù)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個單元映射哈爾濱工程大學(xué)本科生 畢業(yè) 論文 18 至實際存儲器的 c 個地址。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)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 ?????1cmmjjiiiwy （ ） Step6：計算 CMAC 調(diào)整指標 δi=ydyi是否滿足規(guī)定要求，是，跳出；否，進行下一步； Step7：誤差大于目標值，根據(jù) CMAC 調(diào)整指標 δi 調(diào)整權(quán)值ckwkw ijj ????? )()1( 轉(zhuǎn)到 Step5 繼續(xù)； 式中學(xué)習(xí)率 η和泛化常數(shù) c 是兩個最為重要的參數(shù)。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 ? ????????? njcmmt jinj ijiiiwyy111（ ） 式中， n為輸入變量的個數(shù)。 CAMC 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。學(xué)習(xí)的目的是使總 控 制輸入與 CAMC 的輸山之 差 最小。 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)的附加輸入而實現(xiàn)的。 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。否則 ,返回 (2)。通過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 )(kun 逐漸逼近控制器總輸出 )(ku 。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用戶界面。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)的錯誤及進行出錯原因分析。使之更利于非計算機專業(yè)的科技人員使用。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。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。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。 MATLAB 的推出得到了各個領(lǐng)域的廣泛關(guān)注 ,其強大的擴展功能為各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。很明顯 ,這種做法使得一個很 復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當容易。既可以純圖形方式輸入 ,也可以純文本方式來輸入。因此可 以不難理解它自推出以后 ,就一直受到歐美和日本等國家或地區(qū)的控制界學(xué)者的青睞。用戶也可以定制和 創(chuàng)建用戶自已的模塊。菜單方式對于交互工作非常方便 ,而命令行哈爾濱工程大學(xué)本科生 畢業(yè) 論文 25 方式對于運行一類仿真非常有用。由于 MATLAB 和 SIMULINK 是集成在一起的 ,因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自已的模型進行仿真、分析和修改。 經(jīng)過適當調(diào)整 PID 參數(shù)，確定為 P=， I=， D=100。 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000024681012t/s溫度/℃ 圖 SIMULINK 仿真 結(jié)果曲線 基于 CMAC 與 PID 復(fù)合控制 的 過熱蒸汽溫度控制 仿真研究 基于 CMAC 與 PID 復(fù)合控制的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)程序流程圖如圖 所示。 常規(guī) PID 控制與 基于 CMAC 與 PID 復(fù)合控制的 仿真結(jié)果對比與分析 通過仿真結(jié)果可以看出， CMAC 與 PID 的復(fù)合控制具有更好的控制響應(yīng)速度，在加入干擾的情況下，由于 CMAC 的加入使得干擾作用下的控制系統(tǒng)更快地恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)， CMAC 與 PID 的復(fù)合控制在一定程度上克服了常規(guī) PID 控制器響應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)時間長的一些弊端，使控制效果得到提高。 本文在現(xiàn)有大型船舶鍋爐過熱蒸汽溫度控制難以取得滿意效果的情況下， 根據(jù)船舶鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的工作原理 ， 在單純根據(jù)主汽溫的偏差采用單回路調(diào)節(jié)方案來控制汽溫不能滿足生產(chǎn)要求的情況下，引入能夠提前反映擾動的導(dǎo)前信號，構(gòu)成多回路系統(tǒng)，確立了串級汽溫調(diào)節(jié)方案，并建 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 設(shè) 計 了基于 CMAC 與 PID的復(fù)合控制策略，對 CMAC 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與常規(guī) PID 復(fù)合 控制 在過熱蒸汽溫度控制 中的應(yīng)用進行了研究 。感謝我的家人對我大學(xué)四年學(xué)習(xí)的默默支持；感謝我的 哈爾濱工程 大學(xué)給了我在大學(xué)四年深造的機會，讓我能繼續(xù)學(xué)習(xí)和提高；感謝老師和同學(xué)們四年來的關(guān)心和鼓勵。使我 收獲知識的同時也懂得了做人做事的道理，這些都將使我終身受益。 這次畢業(yè)論文設(shè)計 是在 陳明杰老師 的悉心指導(dǎo)下完成的 ?？梢?在船舶過熱蒸汽溫度系統(tǒng)這種復(fù)雜系統(tǒng) 情況下 ， 其 不確定性、非線性、時變和多變量、強耦合等特點 ， 使得 采用 CMAC 智能算法與 PID 的復(fù)合控制策略，能夠取得 更 好的控制效果。哈爾濱工程大學(xué)本科生 畢業(yè) 論文 35 結(jié) 論 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強的逼近非線性函數(shù)的能力，并具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)、并行分布處理和較強的魯棒性及容錯性等特點，為解決船舶過熱蒸汽溫度控制這種復(fù)雜非線性系 統(tǒng)的控制問題提供了一種有效途徑。 得到系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖 。選取 的 仿真 時間為 1000s，給定輸入為階躍信號 r=1，在 600s 時加入蒸汽流量擾動，幅值為 1。 哈爾濱工程大學(xué)本科生 畢業(yè) 論文 26 圖 常規(guī) PID 控制 程序流程圖 進行常規(guī)的 PID 控制仿真研究， SIMULINK 仿真 見圖 ， 采用湊試法先 選取 PID 參數(shù)為 P=3 ， I=0， D=20。除此之外 ,用戶還可以在改變參數(shù)后能迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。用戶可以從最高級開始觀看模型 ,然后用鼠標雙擊其中的子系統(tǒng)模塊 ,來查看其下一級的內(nèi)容 ,以此類推 ,從而可以看到整個模型的細節(jié) ,幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分和差分方程建模相比 ,具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。既可對連續(xù)系統(tǒng)也可對離散系統(tǒng)進行仿真 ,還適合于采樣保持系統(tǒng)。 SIMULINK 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包 ,不僅界面友好且支持更靈活的模型描述手段。為了準確地把一個控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入給計算機 ,然后對之進行進一步的分析與仿真 ,MathWorks 公司為 MATLAB 提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具 ,并定名為 SIMULINK。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形式要大費心思。早期 ,人們采用計算機高級程序語言對系統(tǒng)進行仿真 ,如 BASIC、 FORTRAN、 PASCAL等。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。 （ 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 23 MATLAB 作為 一個包含大量計算算法的集合。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。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 的標準界面，人機交互性更強，操作更簡單。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 MATLAB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。? 為慣性量 , ? ∈ (0,1)。在此期間 ,CMAC 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行學(xué)習(xí) ,訓(xùn)練權(quán)值。復(fù)合控制算法步驟 :(1)參數(shù)初始化。 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 當時測量 值及變化值。 CAMC 采用有導(dǎo)師的學(xué) 習(xí) 算法。(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 。 im 為輸入變量 ix 激活存儲單元的首地址， im 的計算公式為：)( ??? csm ii ， is 為輸入量的量化值。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。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。 CMAC 網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)時采用的是查表技術(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 。 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)。利用該方法進行 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)。 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。 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。這就是說，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，甚至為負值，從而 避免了被控量的嚴重超調(diào)。 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。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “積分項 ”。 單純的比例控制適用于擾動不大，滯后較小，負荷變化小，要求不高，允許有一定余差存在的場合。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。 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，