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1、哈尔滨工程大学本科生毕业论文学 号 密 级 哈尔滨工程大学本科生毕业论文基于CMAC的过热蒸汽温度控制研究院（系）名 称：自动化学院专 业 名 称：自动化学 生 姓 名：指 导 教 师：2010年6摘要现代船舶锅炉的过热器是在高温、高压条件下工作的部件，它对于船舶蒸汽动力装置的安全经济运行有着重大影响。若过热器内蒸汽温度过高，则会烧坏过热器高温段；若温度过低，则会降低热效率和影响汽轮机安全运行。 因此，严格控制过热蒸汽温度在给定值附近是船舶蒸汽动力装置的一个重要任务之一。过热蒸汽温度控制系统的被控对象惯性和延迟较大，具有非线性、时变等特点。尤其是大容量、高参数的船舶控制系统，被控对象更加复杂，
2、对控制系统的要求更高，常规的汽温串级控制已经不能满足要求。小脑模型神经网络比一般神经网络具有更好的非线性逼近能力，更适合于复杂动态环境下的非线性实时控制。本论文首先根据船舶锅炉过热蒸汽温度控制系统的工作原理，建立了过热蒸汽温度串级调节系统数学模型，然后，对常规PID控制算法和CMAC控制算法进行了分析和研究，并设计了基于常规PID控制器和基于CMAC与PID的复合控制器。最后应用MATLAB软件分别进行了常规PID控制和CMAC与PID复合控制仿真，并对二者的控制效果进行比较。仿真结果表明，CMAC与PID的复合控制效果要优于常规PID控制，具有更快的控制响应速度，实时性好，抗干扰能力强。 C
3、MAC与PID复合控制方法应用在船舶过热蒸汽温度控制中，可以改善过热蒸汽温度控制的品质。关键词：过热蒸汽温度；CMAC与PID复合控制；SIMULINK仿真；串级汽温调节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 plant on economic performance. If the
4、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 steam temperature at a given value in
5、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 ship control system, the controlled
6、 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 suitable for complex nonlinear dyna
7、mic 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 superheated steam temperature syste
8、m 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 and PID compound control are compare
9、d 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, with faster response speed, shorter transition time, and strong adaptability. The application of CMAC and P
10、ID 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 cascade control目 录第1章绪论11.1论文选题背景、目的和意义11.2目前本课题国内外的研究
11、现状21.2.1神经网络的发展21.2.2CMAC研究现状51.2.3神经网络和PID控制相结合的研究现状61.3本课题的主要研究内容6第2章船舶过热蒸汽温度控制系统数学模型82.1过热气温对象的静态特性和动态特性82.1.1蒸汽负荷扰动对汽温的影响82.1.2减温水流量扰动下的汽温对象动态特性102.2过热蒸汽温度串级调节系统112.3过热蒸汽温度串级调节系统结构122.4本章小结13第3章PID控制系统及CMAC与PID复合控制系统的设计143.1基于常规PID控制器的过热蒸汽温度控制系统设计143.2CMAC与PID复合控制的过热蒸汽温度控制系统设计163.2.1CMAC算法163.2.
12、2CAMC网络与PID复合控制193.3本章小结21第4章基于MATLAB控制算法研究及仿真224.1Matlab简介224.3基于常规PID的过热蒸汽温度控制仿真研究254.4基于 CMAC与PID复合控制的过热蒸汽温度控制仿真研究284.5常规PID控制与基于CMAC与PID复合控制的仿真结果对比与分析334.6本章小结33结论35参考文献36致谢38第1章绪论1.1论文选题背景、目的和意义在船舶蒸汽动力装置中，过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分损坏;过热蒸汽温度过低，会引起热耗上升，并使汽轮机轴向推力增大而造成推力轴承过
13、载，还会引起汽轮机末级蒸汽温度增加，从而降低蒸汽机的内效率，加剧对叶片的侵蚀，所以将过热蒸汽温度控制在给定值附近是船舶蒸汽动力装置的重要任务。鉴于过热蒸汽温度系统的被控对象惯性和延迟较大，具有非线性、时变等特点。尤其在大容量、高参数的船舶控制系统，被控对象更加复杂，对控制系统的要求更高，常规的汽温串级控制已经不能满足要求。小脑模型神经网络（CMAC）比一般神经网络具有更好的非线性逼近能力，更适合于复杂动态环境下的非线性实时控制。本课题以船舶过热蒸汽温度系统为研究对象，研究CMAC与PID复合控制方法在船舶过热蒸汽温度控制中的应用，以改善过热蒸汽温度控制的品质。近年来国内外对大型锅炉过热蒸汽温度
14、优化控制的研究十分活跃，但目前广泛应用的优化控制策略仍然基于常规的线性PID控制器，难于取得优良的控制品质，严重影响了锅炉的安全、经济运行。究其原因为：（1）传统的PID控制系统，只是根据锅炉过热汽温系统某一负荷点上的对象特性(传递函数)来设计的，但其状态大范围变化时，动态特性往往变化较大，即被控对象存在严重的非线性，因此，常规PID控制系统在整个负荷范围内不可能是全局最优的；（2）PID控制规律是线性的，而锅炉过热汽温对象具有强烈的非线性，无论对常规控制系统如何优化，总是突破不了用线性控制器来控制非线性对象的这一局限性，控制品质提高必定会受到限制，要进一步提高控制品质，应研究采用基于热力系统
15、非线性模型的新型优化控制系统。由于船舶过热蒸汽温度系统这种复杂系统具有与简单系统所不同的特点，及复杂系统的不确定性、非线性、时变和多变量、强耦合等，使传统控制方法无法对其进行控制。为了解决这种复杂控制系统的控制问题，智能控制方法应运而生，小脑模型神经网络作为智能控制的一个重要分支，在复杂系统控制方面具有明显的优势，并已经取得了较为广泛的应用。1.2目前本课题国内外的研究现状1.2.1神经网络的发展自20世纪40年代，随着神经解剖学、神经生理学以及神经元的电生理过程等的研究取得突破性进展，人们对人脑的结构、组成及最基本工作单元有了越来越充分的认识，在此基本认识的基础上，综合数学、物理学以及信息处理等学科的方法对人脑神经网络进行抽象，并建立简化的模型，称为人工神经网络ANN(Artificial Neural Network)。目前，关于人工神经网络的定义尚不统一，按美国神经网络学家Hecht Nielsen的观点，神经网络的定义是：“神经网络是由多个非常简单的处理单元彼此按某种方式相互连接而形成的计算机系统，该系统靠其状态对外部输入信息的动态响应来处理信息的”。综合神经网络的来源、特点和各种解释，它可简单地表述为：人工神经网络是一种旨在模仿人脑结构及其功能的信息处理系
