【正文】 老師們課堂上的激情洋溢，課堂下的諄諄教誨；同學(xué)們在學(xué)習(xí)中的認真熱情，生活上的熱心主動，所有這些都讓我的四年 充滿了感動 。 本章小結(jié) 本章在船舶過熱蒸汽溫度控制串級控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，分別采用常規(guī) PID 控制器和 CMAC 與 PID 復(fù)合控制的兩種控制策略進行了 MATLAB下的仿真控制研究，通過對兩種控制策略所得仿真結(jié)果曲線對比分析，基于哈爾濱工程大學(xué)本科生 畢業(yè) 論文 34 CMAC 與 PID 復(fù)合控制策略克服了常規(guī) PID 控制器響應(yīng)速度慢，調(diào)節(jié)時間長的弊端，在干擾的情況下能夠更快地恢復(fù)穩(wěn)定，具有更好的抗干擾能力。仿真結(jié)果如圖，從仿真結(jié)果曲線可以看到， 此時系統(tǒng)穩(wěn)定，超調(diào)量在 20%以內(nèi)，滿足要求。采用 SCOPE 模塊和其它的畫圖模塊 ,在仿真進行的同時 ,就 可觀看到仿真結(jié)果。 SIMULINK 為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口 ,采用這種結(jié)構(gòu)畫模型就像你用筆和紙來畫一樣容易。 Simulink的出現(xiàn) ,更使得 Matlab為控制系統(tǒng)的仿真與其在 CAD中的應(yīng)用打開了嶄新的局面。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。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如 C 和 C++ 。 （ 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)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c。 哈爾濱工程大學(xué)本科生 畢業(yè) 論文 21 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) 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) 。 (2) PID 控制器根據(jù)控制系統(tǒng)的偏差值進行控制 ,直到控制指標達到最小。經(jīng)過 CAMC 的學(xué)習(xí)，使系統(tǒng)的總控制輸 出 由 CAMC 產(chǎn)生。 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 ,遠離的輸入將產(chǎn)生獨立的輸出 。 (3)CMAC 的函數(shù)計算 (輸出 )。將此響應(yīng)值與希望輸出值進行比較 ,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?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 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。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能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)。 ? 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。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)。 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。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。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制數(shù)表示的。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，相差很遠的輸入會產(chǎn)生 基本上獨立的輸出。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)，需要堆成連接。 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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，使得快速進行大量運算成為可能。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)。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)。小腦模型神經(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。 36 致謝 22 基于常規(guī) PID 的過熱蒸汽溫度控制仿真研究 21 第 4 章 基于 MATLAB控制算法研究及仿真 16 CAMC 網(wǎng)絡(luò)與 PID 復(fù)合控制 16 CMAC 算法 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)計 10 過熱蒸汽溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng) 2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 最后應(yīng)用 MATLAB軟件分別進行了常規(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行比較。 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： 2021 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。 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，抗干擾能力強 。 22 MATLAB簡介 25 基于 CMAC 與 PID 復(fù)合控制的過熱蒸汽溫度控制仿真研究 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)。 [9] 現(xiàn)代意義上對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的研究一般認為從 1943 年美國芝加哥大學(xué)的生理學(xué)家 . McCulloch和 . Pitts 提出 MP 神經(jīng)元模型開始，到今年正好六十年。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。這些特點顯示了神經(jīng)哈爾濱工程大學(xué)本科生 畢業(yè) 論文 4 網(wǎng)絡(luò)在解決高度非線性和嚴重不確定性系統(tǒng)的控制方面具有很大潛力。這個網(wǎng)絡(luò)可以完成制約優(yōu)化和聯(lián)想記憶等功能。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。隨后的一些文獻中，挺出了用某些連續(xù)函數(shù)代替二進制數(shù)，將二進制函數(shù)和連續(xù)的高斯函數(shù)應(yīng)用在函數(shù)逼近問題中，并且進行了比較。 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)偏差信號進行比例、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)。 [2] 蒸汽負荷擾動對 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。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： so esTKsW 2222 1)( ???? （ ） so esTKsW 1111 1)( ???? （ ） 哈爾濱工程大學(xué)本科生 畢業(yè) 論文 11 圖 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)1()( 222 no sTKsW ?? （ ） 1)1()( 111 no sTKsW ?? （ ） 公式 （ ）中， 一般 n2=2，公式（ ）中， 一般 n1=4。 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行最終校正，使其等于給定值。 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。 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。 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。 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。 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。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)。 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 。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。(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 。 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。在此期間 ,CMAC 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行學(xué)習(xí) ,訓(xùn)練權(quán)值。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。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。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。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。 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。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。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。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 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。 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 。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