【文章內(nèi)容簡介】 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(gè)輸出只有少部分神經(jīng)元與之相關(guān)，其最大的特點(diǎn)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(dú)立的輸出。雖然從單個(gè)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 CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法采用 δ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(gè)多維狀態(tài)空間的輸入量，映射到一個(gè)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(diǎn)。另外，其數(shù)字硬件設(shè)計(jì)也易于實(shí)現(xiàn)。由于 CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有上述的優(yōu)點(diǎn)，被成功應(yīng)用于許多實(shí)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 CMAC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(gè)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) (Fuzzy—CMAC)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(jī)械手的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，后來 ．等人又將其成功地應(yīng)用在機(jī)器人控制上，將其應(yīng)用于高精度機(jī)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。目前在控制哈爾濱工程大學(xué)本科生 畢業(yè) 論文 6 方面已成功的應(yīng)用到機(jī)器人控制、壓電刀架控制、機(jī)械系統(tǒng)控制、車輛智能替報(bào)、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(bǔ)償、模式識別、圖像編碼、信號處理、打印機(jī)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)。 [10] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 PID 控制相結(jié)合的研究現(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(qiáng)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(yùn)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(diǎn)，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(cuò)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(gè)或多個(gè)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(gè)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)。 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(gè)方面： (1) 首先，通過查閱資料， 掌握 CMAC 學(xué)習(xí)算法和特點(diǎn) 以及 CMAC 與PID 的復(fù)合控制 的 基本原理； (2)根據(jù) 目前大型 船舶鍋爐過熱蒸汽特點(diǎn) ，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； 哈爾濱工程大學(xué)本科生 畢業(yè) 論文 7 (3)以船舶過熱蒸汽溫度控制為研究對象， 設(shè)計(jì) 基于 常規(guī) PID 控制器，并采用 MATLAB 實(shí)現(xiàn) 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(jì) 基于 CMAC 與 PID 的復(fù)合控制器，并采用 MATLAB 實(shí)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(dòng)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(gè)單元機(jī)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(duì)鍋爐運(yùn)行的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要的作用，本章主要分析鍋爐過熱蒸汽溫度調(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(shí)際應(yīng)用中的具體控制方案。 過熱氣溫對象的靜態(tài)特性和動(dòng)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(gè)參數(shù)是表征鍋爐運(yùn)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（ 540177。5） ℃ 。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(dòng)下氣溫對象具有非線性、時(shí)變等特性，使控制的難度加大；氣溫對象具有大遲延、大慣性的特點(diǎn)，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(yùn)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。 [2] 蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)對 汽溫 的影響 當(dāng)要求鍋爐蒸發(fā)量增加時(shí)，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(shí)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(shí)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 所示。 哈爾濱工程大學(xué)本科生 畢業(yè) 論文 9 0θ / ℃5 0 1 0 0蒸 汽 流 量輻 射 式對 流 式3 0 05 0 05 5 0圖 過熱氣溫的靜態(tài)特性 鍋爐蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，過熱汽溫的響應(yīng)曲線如圖 所示，汽溫對象是有慣性、自平衡能力的動(dòng)態(tài)特性，動(dòng)態(tài)特性較好，但由于蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)是由外界用戶決定的，所以不能作為控制汽溫的手段。 θtτT c 圖 蒸汽流量擾動(dòng)下汽溫的動(dòng)態(tài)特性 哈爾濱工程大學(xué)本科生 畢業(yè) 論文 10 減溫水流量擾動(dòng)下的汽溫對象動(dòng)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(gè)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 所示， 傳遞函數(shù)分別用 Wo2(s)和 Wo1(s)來表示： 211 )( ???sWo （ ） 圖 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(dòng)下過熱汽溫導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的響應(yīng)曲線可用圖 。由圖可見其共同點(diǎn)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(yàn)擾動(dòng)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(dòng)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。 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 ?? （ ） 惰性區(qū) 傳遞函數(shù) 為： 31 )251( )( ssW o ?? （ ） 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，所以減溫水?dāng)_動(dòng)下的氣溫特性屬對象調(diào)節(jié)通道的動(dòng)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)引入能夠提前反應(yīng)擾動(dòng)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)。 哈爾濱工程大學(xué)本科生 畢業(yè) 論文 12 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 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(dòng)，只要 ? 2變化，內(nèi)回路就立即動(dòng)作，用副調(diào)節(jié)器 Wo2（ s） 的輸出去控制減溫水量，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(shí)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(shí)，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(gè)回路的作用是不同的，內(nèi)回路的作用在于盡快消除擾動(dòng)，主要消除來自減溫水側(cè)的內(nèi)部擾動(dòng)；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。 γθ 2γθ 1W a 1 （ s ）W a2（ s ）ZWθθ2θ1 圖 串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng) 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(gè)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 串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理方框圖 Wo2(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)； γθ2—導(dǎo)前汽溫 ? 2 測量裝置傳遞函數(shù)； γθ1—主汽溫 ? 1 測量裝置傳遞函數(shù)； Kz—執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)； Kμ—噴水調(diào)節(jié)閥門傳遞參 數(shù)； Wθ1—調(diào)節(jié)作用下的減溫水量；Wθ2—擾動(dòng)作用下的減溫水量； Wθ—總減溫水量， Wθ= Wθ1+ Wθ2 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(dòng)對主汽溫的影響 和減溫水流量擾動(dòng)下的汽溫對象動(dòng)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(dòng)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章 PID控制 系統(tǒng) 及 CMAC與 PID 復(fù)合控制 系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì) 基于 常規(guī) PID 控制器 的 過熱蒸汽 溫度 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(gè)參數(shù)的設(shè)定。 PID 控制器主要適用于基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。 PID 控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件。這個(gè)控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)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(yùn)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(gè) PID 反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。 在工程實(shí)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(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)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(gè)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(shí)，最適合用 PID控制技術(shù)。 PID 控制，實(shí)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(jì)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(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。單獨(dú)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(shí)際應(yīng)用中，比例度的大小應(yīng)視 具體情況而定，比例度太大，控制作用太弱，不利于系統(tǒng)克服擾動(dòng)，余差太大，控制質(zhì)量差，哈爾濱工程大學(xué)本科生 畢業(yè) 論文 15 也沒有什么控制作用；比例度太小，控制作用太強(qiáng)，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(qiáng)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(gè)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(dòng)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