（控制理论与控制工程专业论文）基于神经内模控制算法的船舶蒸汽动力装置协调控制研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho nm a r i n e e q u i p m e n t c o o r d i n a t i o nc o n t r o lb a s e do nn e u r a l n e t w o r ki n t e r n a lm o d e lc o n t r o l c a n d i d a t e ：d i n gc h u n h u i s u p e r v i s o r ：p r o f l il a i c h u n a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y - 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：了蜀绣弘 日期：夕0 勿年罗月肜日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：了蠢缈导师( 签字) ：群琶， 日期：2d p 年7 月以日z o t o 年歹月 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 蒸汽动力装置是大型i 珊自常用的种主动力装置，它具有单机容量大、对燃料 适应能力强等优点，它对船舶的机动性、续航能力等起着决定性作用。蒸汽动力装 置运行时，负荷变化频繁、幅度大，对控制系统的响应性能要求高，尤其对机炉协 调控制系统要求更高。主推进汽轮机经常要在大范围内做变工况运行，会出现从高 工况直接速关停车，或者从停车状况直接升至某一高工况。这些情况都会对蒸汽动 力装置产生强烈冲击。船用锅炉与陆地火力电站锅炉相比，体积较小，蓄热能力较 差，使其应对冲击负荷的能力弱了许多，若不采用合理的机炉协调控制系统，主锅 炉很难满足频繁大幅度的负荷变化要求。 考虑到锅炉与汽轮机是个具有相对独立性的整体，机炉协调控制系统应充分 考虑两者的特点，充分利用锅炉蓄热能力及汽轮机调节的快速性，既保证了汽轮机 能够比较快速地适应负荷的变化，又不致使主蒸汽压力波动较大。 通过对锅炉- i 气轮机系统动态特性的分析，参考锅炉跟随汽轮机方式，完成了机 炉协调控制系统的设计。通过分析机炉系统的相对增益，设计单向解耦环节，使汽 轮机侧成为单变量系统，使用p i d 神经网络进行控制；在锅炉侧建立神经网络内模 控制系统，使用p i d 神经网络构建控制系统的内部模型和控制器，利用内模控制的 理想控制器特性，克服耦合以及外界干扰对系统的影响。最后进行仿真实验表明： 这种方法能眵使机炉系统具有良好的负荷跟踪能力，并具有良好的稳定性和抗干扰 能力。 关键词：蒸汽动力装置；机炉协调；内模控制；p i d 神经网络 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t e a mp o w e rp l a n ti st h em a i np o w e rp l a n to fal a r g es h i p , w h i c hh a v es e v e r a l a d v a n t a g e s , s u c ha sl a r g e ru n i tc a p a c i t y , b e t t e ra d a p t i v ea b i l i t yo f f u e l s t e a mp o w e rp l a n t p l a y sad e g i s i v cr o l ei ns h i p so p c l 劬l g , s p e e d , e n d u r a n c ea n do f l m i m p o r t a n tt e c h n i c a l p i r f o n n a n e e w h e ns t e a mp o w e rp l a n ti s 晖嘲她自e q 啦mc l 础e si nt h el o a d , l a r g e m 咄t h ec o n t r o ls y s t e mi nr e s p o n s e t ot h eh i g hp e 瓶) n 撇r e q 岫t s , s o w e l l - d e s i g n e dc o n t r o ls y s t e m i sv e r yn e c e s s a r y t u r b i n eo f t e nh a dt om a k e c h a n g e sw i t h i n aw i d er d r l g eo fo p e r a t i n gc o n d i t i o n s , s o l l e l i m e sd i r e c tt op a r k i n gf r o mr a t e ds p e e 6a n d 9 嗍：i l e 醯【n 懿d i r e c t l yl e a p i i l gf r o mt h ep a r k i l l gt oa s l a t eo fs p e e c ti nt h i sw a y , t h es t e a m p o w e rp l a n tm u s tb e a rt ot h ei m p a c tl o a d c o m p a r e dw i t hb o i l e ri nt h e r m a lp o w e rs t a t i o n , t h em a i nb o i l e ri ns h i pw a ss m a l l e ra n dl e s sh e a ts t o r a g ec a p a c i t y i ft h e r ew a sn o r e a s o n a b l ec o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e m , t h em a i nb o i l e rw i l lb ed i 伍c u l tt om e e tt h ef r e q u e n t c h a n g i n gr e q u i r e m e n t so f h el o a a t h eb o i l e ra n dt u r b i n ei saw h o l ew i t har e l a t i v ei n d e p c 驰慨t h e r e f o r e , c o o l d i n 碰o nc o n n o ls y s t e m ( c c s ) s h o u l dt a k ef u l l 泓：r o u n to fb o i l e r 舡试t u r b i r l e t s f e a t u r e sm a k ef u l lu s eo ft h eb o i l e r sh e a ts t o v d g ec a p a c i t ya n dt u r b i n e sr a p i dr e g u l a t i n g a b i l i t y n o to n l ye n s u r e s t h et t a b i mc o u l db eq u i c k l ya d a p t e dt ol o a dc h a n g e s , a l s ow i t h o u t c a u s i n gl a r g ef l u c t u a t i o no f m a i n s t e a mp r e s s u r e i nt h i sp a p e r , an e wc c si si n t r o d u c e d 越c 0 她t 0t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h e b o i l e r - t u r b i n es y s t e m , b a s e do nb o i l e r - f o l l o w - t u r b i n e u n i d i r c c t i o m ld e c o u p l em e t h o di s b e e nu s e df o rd e c o u p l et h em i m o s y s t e m , t h e nt h et u r b i n es i d eb e c o m eas i n g l ev a r i a b l e s y s t e m , p i dn e u r a ln e t w o r ki su s e dt oc o n t r o lt h i ss i d e i nb o i l e rs i d ea n e u r a ln e t w o r k i n t e r n a lm o d e lc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e d , p i dn e u r a ln e t w o r ki su s e df o rb 词d 崦t h e i n t e m a lm o d e la n dc o n t r o l l e r f i n a l l yt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：t h eb o i l e r - t u r b i n e s y s t e mh a sb e e nb e t t e rc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：s t e a mp o w e rp l a n t ；b o i l e r - t u r b i n ec o o r d i n a t i o n ；i n t e m a lm o d e lc o n l r o l ； p i dn e u r a ln e t w o r k 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论 1 1 课题背景” 1 2 机炉协调控制系统国内外研究观状 l3 神经网络与内模控制的研究及发展 1 3 1 人工神经网络的研究及发展一 1 3 2 典型神经网络控制的基本思想 1 4 论文的主要工作与内容 6 7 第2 章蒸汽动力装置协调控制系统分析 2 1 船用蒸汽动力装置介绍 8 2 1 1 船舶蒸汽动力装置机组的生产过程1 0 2 1 2 船舶蒸汽动力装置自动控制系统组成”1 1 2 2 机炉系统控制方式 2 3 锅炉汽轮机系统模型和动态特性分析“ 2 3 1 锅炉汽轮机系统建模 2 3 2 机炉系统数学模型 1 7 2 4 协调控制对象耦合性分析2 6 2 4 1 控制回路耦合性的测度相对增益序歹i j ( r g a ) 2 6 2 4 2 锅炉汽轮机系统耦合分析2 8 2 4 3 锅炉汽轮机系统的解耦2 9 2 5 本章小结31 第3 章p i d 神经网络内模控制原理3 2 3 1p d 神经网络的原理与改进3 2 3 1 1p i d 神经网络的基本原理3 3 3 1 2 基于变速积分思想的改进p i d 神经网络3 7 3 2p i d 神经网络控制3 9 3 2 1p i d 神经网络单变量控制系统“3 9 3 2 2 基于变速积分改进的p i d 神经网络| 生能分析3 9 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 3 3p i d 神经网络内模控制算法分析4 2 3 3 1 内模控制的基本原理 3 3 2p i d 神经网络内模控制结构4 6 3 3 3 内部模型的建蛰”4 7 3 3 4 内模控制器的建立 本章小结 第4 章机炉协调控制系统设计及仿真分析 5 l 5 2 4 1 船用蒸汽动力装置机炉协调控制系统设计5 2 4 1 1 汽轮机侧控制器的设计5 2 4 1 2 锅炉侧控制器的设计 4 2 仿真实验及分析 4 3 本章小结 5 3 5 5 ”6 1 结论“6 2 参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 致谢 6 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 船舶的蒸汽动力装置是船舶的主要设备，对船舶使命、任务的完成和技 术性能的发挥起着关键作用。为了使船舶的安全性和机动性得以保证，必须 首先使动力装置能够安全、稳定地运行。 由于船舶机动性能的需求，以及海上状况的复杂性，船用蒸汽动力装置 具有以下陆地火电站所不具备的特性。如主推进汽轮机经常要在大范围内做 变工况运行，会出现从高工况直接速关停车，或者从停车状况直接升至某一 高工况。这些情况都会对蒸汽动力装置产生强烈冲击。船用锅炉与陆地电站 锅炉相比，体积较小，蓄热能力较差，使其应对冲击负荷的能力弱了许多， 仅凭本身蓄热已不能配合汽轮机的变工况运行。而且锅炉燃烧过程本就具有 非线性、强耦合、大时滞的特点，若不采用一些相应措施加以应对，蒸汽动 力装置将很难满足船舶运行对大范围变工况的要求。设计负责控制负荷输出 的机炉控制系统正是一种行之有效的方法。 机炉协调控制系统( c c s ，c o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，概括地说就是把 锅炉及汽轮机作为一个整体进行综合控制时所用的系统。它的任务是使汽轮 机负荷紧密跟踪外界负荷需求，并保持汽轮机机前汽压的稳定1 。由于锅炉 对象与汽轮机对象控制特性差别很大，采用简单的锅炉跟随方式或汽机跟随 方式均不能很好地解决提高汽轮机的负荷适应能力和保持汽压稳定二者之间 的矛盾。机炉协调控制系统充分利用锅炉蓄热能力及汽轮机调节的快速性， 既保证了汽轮机能够比较快速地适应负荷的变化，又不致使主汽压力波动较 大。 船用蒸汽动力装置在热力系统设备上与火力发电站有许多相同之处，其 原理基本相同。但是由于受到船舶本身及海上航行特点的影响，船舶动力装 置又有其独特之处，船舶主锅炉单位负荷相同的情况下，体积较火力发电站 要小，炉膛容积热负荷要大的多。船舶在运行过程中，有多种不同的工况， 导致船用蒸汽动力装置的负荷变动范围也相应宽很多，并且变化更频繁。随 着全球经济危机及气候变化的影响，船舶在追求机动性、续航能力的同时， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 对于经济型，节能也有了更高的要求“1 。 因此在设计船舶蒸汽动力装置协调控制系统的过程中，可以参考火力发 电站的成功经验，但不能完全照搬已有的控制方法。本文针对船舶蒸汽动力 装置中存在的多变量、非线性、耦合等问题，冲击负荷大、锅炉蓄热能力有 限等特点，传统的控制方法难以达到满意的控制效果，提出一种基于单向解 耦的p i d 神经元网络内模控制算法，针对汽轮机侧和锅炉侧响应特性不同， 分别设计控制器，以达到满意的控制效果，并保证蒸汽动力装置安全稳定的 运行。 1 2 机炉协调控制系统国内外研究现状 蒸汽动力装置协调控制研究是典型的多变量控制系统，并且包含了大量 的控制领域热点、难点问题。随着这些年来，自动化水平的提高，陆地电站、 船舶蒸汽动力装置对于控制品质要求的提升，机炉协调控制吸引了众多的研 究者，并取得了大量的成果。而且众多的优良的控制策略都被用来提升系统 控制系统性能的研究p 1 。 协调控制存在两种划分方式：一种是按照系统发展的基础划分为机跟炉 方式或者炉跟机方式；另一种是按照能量平衡的角度，将协调控制系统划分 为直接能量平衡( d e b ) 和间接能量平衡( i e b ) 两大类。第二种划分方式在一定 意义上讲，更能揭示协调控制的内在本质，因为机炉控制的根本任务就在于 维持整个机组运行过程中的能量平衡，包括动力装置输入能量与输出能量的 平衡；锅炉汽轮机之间工序能量平衡；锅炉内部各子系统之间能量传递的平 衡。因为能量信号不便于直接测量，实际系统中常采用一些间接的参数来表 征这种平衡关系，如主蒸汽压力作为锅炉与汽轮机之间的能力供需平衡参数， 称这种控制系统为间接能量平衡系统。如果是直接构造出能量需求信号，并 设计出控制能量平衡的系统，就成为直接能量平衡系统h p l 。 早期的机炉协调控制方式为手动控制，随着控制设备、控制理论的发展 和完善，产生了两种自动控制方式，即机跟炉控制方式和炉跟机控制方式。 机跟炉控制或炉跟机控制方式的基本原理是：在两个单输入单输出简单反馈 控制回路的基础上，分别增加前馈、解耦功能，以构成机炉两侧同时调功、 调压的综合控制方式，满足系统对于稳定性和响应速度不同要求。目前协调 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 控制系统控制策略主要有：p i d 控制和自整定控制、模糊控制和神经元网络 控制、最优控制、预测控制、预见控制、鲁棒控制、容错控制、多变量频域 控制、智能解耦控制、反馈线性化控制、均衡燃烧控制、炉膛辐射能信号超 前控制等州。 从使用的控制方法的角度，单元机组协调控制系统的研究方向可划分为： 基于线性系统理论的研究、基于非线性系统理论的研究和基于智能控制理论 的研究。 1 、基于线性系统理论的研究 传统的线性控制理论经过很长时间的广泛应用，研究更为成熟。在协调 控制领域，主要研究方向有控制系统参数整定、机炉系统多变量解耦、控制 系统结构的分析与优化，针对时滞特性的预测控制等方面。 文献 7 】研究了具有p i d 结构反馈控制器的多变量系统的参数自整定，提 出了一种具有校正因子的p i d 控制算法，针对协调控制的仿真研究证明了控 制器的鲁棒性。文献【8 】提出了一种具有p i d 形式的多变量解耦控制器，利用 运行试验得出了使用的参数整定步骤，取得了实际系统的成功应用。文献 9 】 在实际应用的多变量解耦方法的基础上，从经典控制理论的角度对解耦方法 进行了进一步的推导和总结。 2 、基于非线性系统理论的研究 随着非线性理论和应用研究的逐步深入，机炉协调系统的非线性控制也 受到了广泛的关注【州1 。相关的研究包括：反馈线性化方法、反步设计方法、 多模型方法等。这些研究为协调控制系统的全局优化提供了很好的思路，也 为协调控制系统的进一步发展积累了丰厚的理论储备。 多模型方法可以认为是线性系统理论与非线性系统理论的结合，取得了 成功的实际应用。文献 1 2 1 等采用了这种方法，在多个负荷工况点将模型进 行线性化，针对每个工况点设计合适的控制器，并利用一定的规则将这些控 制器组合在起 3 、基于智能控制理论的研究 传统的控制方法包括经典控制和现代控制，是基于精确对象模型的控制 方式，适用于线性、时不变等简单问题的控制，缺乏灵活性和应变能力。智 能控制将传统控制理论与人工智能相结合，可以用来解决那些用传统控制方 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 法难以解决的复杂系统的控制问题。智能控制的研究对象一般具有以下特点： 不确定的模型，就是模型未知或者模型的结构和参数可能大范围变化；高度 的非线性，人工智能本身就是复杂的非线性对象，可以较好地解决非线性系 统的控制问题；复杂的任务要求，在复杂工业过程中，不仅要求控制系统能 够跟踪给定值信号，还要能实现整个系统的启停、故障诊断等功能。 模糊技术和神经网络技术在协调控制研究中应用比较广泛。文献 1 3 】提 出了一种包含一个自回归神经元的5 层模糊神经网络，利用神经网络的自学 习能力调整模糊控制器，能够克服汽压控制回路的时变性，以及对象其他不 确定随机干扰，提高了控制品质；文献【1 4 】利用模糊监督控制方法，增强协 调控制系统的抗干扰能力，该策略由局部l q g l q r 控制器及基于模糊规则 的设定点生成器构成；文献 1 7 】提出采用非模型控制策略是提高控制系统适 应性和鲁棒性的有效方法，针对单元机组对象，在静态解耦的基础上，在每 个控制通道设置模糊神经网络控制器，取得了较好的效果。将模糊技术和神 经网络技术用于机炉系统模型辨识叼7 1 ，能够解决被控对象结构复杂、难以 建立准确模型的问题，也取得了广泛的应用。 遗传算法是解决控制系统参数寻优和整定的有效方法。文献【1 8 】利用辨 识方法获取机炉系统的t - s 模糊模型，通过变形，将求逆问题化解为求解线 性方程组，并将遗传算法用于滤波器参数的寻优；文献【1 9 】利用遗传算法设 计和整定p i 控制器和l q r 控制器；文献 2 0 】提出了用于负荷控制的模糊参考 自适应控制方法，遗传算法利用输出与期望的偏差实时修正控制器的参数， 也取得了良好的效果。 1 3 神经网络与内模控制的研究及发展 1 3 1 人工神经网络的研究及发展 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 技术是一种模拟人 脑思维方式的数学模型。它是在生物学研究人脑组织成果的基础上提出的， 模拟大脑神经元的功能与机理，是模拟人类智能的一条重要方法，具有广泛 的应用前景。它的若干基本特征，如并行处理、学习、记忆等对于控制论、 信息科学等学科的研究具有重要意义，引起了学术界的广泛关注瞄“。 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 神经网络的发展经历了4 个阶段。 1 、启蒙期( 1 8 9 0 1 9 6 9 年) 1 8 9 0 年，w j a m e s 发表专著心理学，讨论了脑的结构和功能。 这一阶段主要是完成了脑神经元的数学模型和学习规则的研究，出现了 一批重要的学术成果。1 9 4 3 年，心理学家w s m c c u l l o c h 和数学家w p i t t s 提出了描述脑神经细胞动作的数学模型，即m p 模型。1 9 4 9 年，心理学家 h e b b 实现了对脑细胞之间相互影响的数学描述，提出的h e b b 学习法则，至 今仍然对神经网络研究有这重要意义。1 9 5 8 年，e r o s e n b l a t t 提出了描述信 息在人脑中存储和记忆的数学模型，即著名的感知机模型( p e r c e p t r o n ) 。1 9 5 2 年，w i d r o w 和h o f f 提出了自适应线性神经网络，即a d a l i n e 网络，并提出 了网络学习新知识的方法，即6 学习规则，并用电路进行了硬件设计。 2 、低潮期( 1 9 6 9 1 9 8 2 年) 神经网络的研究在这一时期受当时理论研究水平的限制，以及冯诺依曼 体系计算机发展的冲击陷入低谷。但在一些国家仍有少数学者继续进行着神 经网络模型和学习算法的研究，出现了一些重要的成果。例如，1 9 6 9 年， g - r o s s b e r g 提出了至今为止最复杂的a r t 神经网络；1 9 7 2 年，k o h o n e n 提出 了自组织映射的s c m 模型。 3 、复兴期( 1 9 8 2 1 9 8 6 年) 这一时期出现了许多重要的成果，使神经网络的研究取得了突破性进展。 1 9 8 2 年，h o p f i e l d 提出了h o p f i e l d 神经网络模型，该模型通过引入了能量函 数，这一模型适合于问题优化求解，如路径优化问题。1 9 8 6 年，在r u m e l h a r t 和m c c e l l a r l d 等出版的( p a r a l l e ld i s t r i b u t e dp r o c e s s i n g ) ) 一书中，提出了一种 著名的多层神经网络模型，即b p 网络，该网络是迄今为止应用最广泛的神 经网络。 4 、新连接机制时期( 1 9 8 6 年至现在) 在这一时期神经网络的应用越来越广泛，出现了神经网络芯片和神经计 算机。神经网络逐渐在模式识别与图像处理、控制与优化、预测与管理( 市 场预测、风险分析) 、通信等领域得到成功的应用。 人工神经网络具有四个基本特征僻1 ： ( 1 ) 非线性非线性关系是自然界的普遍特性，线性关系只是实际系统在 哈尔滨下程大学硕十学位论文 一定情况下的近似。人类的思维过程就是典型的非线性现象。人工神经元模 拟大脑神经元的工作机理，包括抑制与激活两种状态，在数学上表现为一种 非线性关系。当多个神经元相互连接构成网状拓扑结构时，通过连接权值来 表征各神经元之间连接强度，使网络拥有更好的性能，能够包含更多的信息。 ( 2 ) 非局限性一个神经网络通常由多个神经元广泛连接而成。一个系统 的整体行为不仅取决于单个神经元的特征，而且可能主要由单元之间的相互 作用、相互连接所决定。通过单元之间的大量连接模拟大脑的非局限性。联 想记忆是非局限性的典型例子。 ( 3 ) 非常定性人工神经网络具有自适应、自组织、自学习能力。神经网 络不但处理的信息可以有各种变化，而且在处理信息的同时，非线性动力系 统本身也在不断变化。经常采用迭代方程描写动力系统的演化过程。 似) 非凸性一个系统的演化方向，在一定条件下将取决于某个特定的状 态函数。例如能量函数，它的极值相应于系统比较稳定的状态。非凸性是指 这种函数有多个极值，故系统具有多个较稳定的平衡态，这将导致系统演化 的多样性。 1 3 2 典型神经网络控制的基本思想 神经网络控制( n e u r a ln e t w o r kc o n t r o l ，n n c ) ，即基于神经网络的控 制，是将神经网络在相应的控制结构中作为控制器或者辨识器，用于解决复 杂的非线性、不确定、不确知系统在不确定、不确知环境中的控制问题，使 控制系统具有好的稳定性、鲁棒性，具有要求的动态或静态性能。由于神经 网络具有非线性、学习能力和自适应性、使神经网络对变化的环境具有很好 的适应性，可以构成不依赖与数学模型的控制结构，是智能控制的一个重要 分支吲。 常见的几种神经网络控制思想有： 1 、神经网络自适应控制 神经网络很强的非线性逼近能力和自学习能力使其能够解决具有不确定 性和时变性的被控对象。神经网络用于自适应控制的主要方式有神经网络模 型参考白适应控制( n n m r a c ) 和神经网络自校正控制( n n s t c ) 。 2 、神经网络学习控制 6 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 神经网络学习控制系统是在运行过程中，通过神经网络逐步获得受控过 程及环境的非预知信息，积累控制经验，并在一定的评判标准下进行估值、 分类和不断改善的自动控制系统。主要方式如神经网络监督学习控制、自适 应评判控制等。通过获得人( 导师) 在控制过程中所起的作用和信息对神经 网络进行训练，训练好以后，即可代替人实现自动控制。 3 、神经网络p i d 控制 常规p i d 控制的局限性在于被控对象具有非线性特性时，缺乏精确的数 学模型，且由于环境的不确知，往往很难达到满意的控制效果。神经网络p i d 控制系统中，使用神经网络在线辨识被控对象，自适应地调节p i d 控制器的 三个参数，使系统具有自适应性，达到有效控制的目的。 4 、神经网络监督控制 通过对传统控制器的学习，用神经网络控制器逐渐取代传统控制器的方 法，称为神经网络监督控制。在神经网络监督控制中，神经网络控制器是被 控对象的逆模型，构成一个前馈控制器。神经网络通过对传统控制器的学习， 在线调整网络的权系数，使传统控制的输入逐渐为零，从而取代传统控制器 在控制系统中的作用，占据主导地位。 5 、神经网络逆系统控制 神经网络逆系统控制的基本思路是：采用静态神经网络和积分器组成动 态神经网络，用来构建连续系统的逆系统，对被控多输入多输出系统进行近 似线性化并解耦，然后对解耦后的各子系统设计附加控制器，与神经网络逆 系统一起构成神经网络逆负荷控制器，从而获得优良的静动态特性和抗干扰 能力。 1 3 3 内模控制发展现状 内模控制( i n t e m a lm o d e lc o n t r o l ，简称i m c ) 是一种基于被控对象数学 模型的新型控制策略。具有结构简单、控制器整定参数少、鲁棒性好等优点， 并已经取得了广泛的应用，是一种实用的先进控制算法。同时研究内模控制 对于预测控制的研究具有重要意义。近些年来，将其他控制方法与内模控制 相结合也成为研究的热点之一。 自2 0 世纪5 0 年代后期起，许多研究者已开始采用类似内模控制的概念 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 来设计最优反馈控制器，如s m i t h 的时滞预估补偿控制器，f r a n c i s 、w a h a m 等人的基于内部模型的调节器设计方法。在随后的一段时间内，内模原理更 多地停留在理论研究阶段而难以成为一种工程设计方法。1 9 7 4 年，德国学者 f r a n k 首先在工业过程控制中提出了内模控制结构。1 9 7 9 年，b r o s i l o w 在其 推断控制的基础上，内模结构是推断控制和s m i t h 预估控制器的核心，并给 出了内模控制器的设计方法。到1 9 8 2 年，g a r c i a 和m o r a r i 完整地提出并发 展了图1 1 的控制结构，并将该控制策略定名为内模控制。整个控制系统的 内部结构，可用模拟硬件或计算机软件来实现。由于该结构中除了有控制器 只( s ) 以外，还包含了过程模型p ( s ) ，内模控制因此而得名。这之后，m o r a r i 等人广泛深入地研究了内模控制的性质、设计方法，并将i m c 推广到多输入 多输出( m i m o ) 系统和非线性过程，为内模控制奠定了坚实的理论基础瞰。 这样，基于过程动态模型设计控制器的思想得到工程化瞄”。 图1 1 内模控制结构图 内模控制在控制系统稳定性和鲁棒性分析方面的优势，使其在现代工业 控制中取得了广泛的应用。许多研究者深入讨论了内模控制与其他控制算法， 如动态矩阵控制( d m c ) 、模型算法控制( m a c ) 、线性二次型最优控制 ( l q q c ) 等之间的内在关系。尤其是多变量内模控制可以直接调整闭环系 统的动态性能并对模型误差具有良好的鲁棒性，因此，i m c 也是多变量过程 控制系统分析与设计的一种重要方法。 1 4 论文的主要工作与内容 本文的主要内容是船舶蒸汽动力装置协调控制系统设计，并结合机炉系 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 统数学模型，在m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台上构建仿真环境。通过仿真实 验验证了所设计的基于神经网络内模控制算法的协调控制系统的可行性，具 有一定的实用价值。 本论文的主要工作安排： 1 根据控制系统设计的需要，建立船用锅炉汽轮机对象的数学模型。结 合相对增益法研究了锅炉汽轮机系统的耦合性问题，并在此基础上对控制回 路进行配对，设计了系统的单向解耦环节，使汽轮机侧与锅炉侧控制相分离， 简化了控制器设计的复杂度。 2 研究神经网络内模控制算法。针对p i d 神经网络积分神经元的弱点加 以改进，通过仿真实验验证了改进的可行性。在分析p i d 神经网络和内模控 制机理的基础上将两者相结合，并分析了p i d 神经网络的辨识性能。 3 基于以上研究的基础上，设计适合于船用蒸汽动力装置协调控制的智 能解耦控制器，在汽轮机侧实用p i d 神经网络进行控制，在锅炉侧因为存在 来自汽轮机回路的干扰，采用了神经网络内模控制算法，这样做能够克服扰 动信号的影响。仿真实验验证了设计方案的可行性，相比传统协调控制方式 具有更优越的性能。 9 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第2 章蒸汽动力装置协调控制系统分析 2 1 船用蒸汽动力装置介绍 船舶的动力装置由船用主锅炉与汽轮机构成。动力装置被喻为船舶的心 脏，由于不同类型的船舶均有其不同的排水量限制，力求压缩其重量尺寸， 保证其所要求的功率，使船舶提供更多空间或多装燃料以提高其续航能力是 船舶动力装置发展的方向。因此，力求减小锅炉重量及尺寸并提高其经济性 也就成为了船舶主锅炉的发展方向。具有重量轻、体积小、经济性高、机动 性能好等特点的船用主锅炉，正是代表着船用主锅炉的发展方向琊7 1 。 汽轮机既蒸汽涡轮机，又称蒸汽透平，是一种以蒸汽为工质的热机，将 蒸汽的热能转化为动能，再从动能转为汽轮机轴向的机械能输出两重能量变 化，最终产生连续的回转运动闭。船舶汽轮机有驱动推进器或者带动发电机 的主汽轮机和驱动泵、鼓风机等的辅助汽轮机之分田1 。在本论文所研究机炉 协调系统被控对象中，汽轮机是指驱动推进器或者发电机的主汽轮机。 2 1 1 船舶蒸汽动力装置机组的生产过程 图2 1 所示为船用蒸汽动力装置汽水系统流程图例，包括了锅炉、汽轮 机以及其他一些辅助设备。 由图可知在锅炉蒸发系统中产生的蒸汽在过热器中过热，成为具有一定 压力和温度的过热蒸汽，在经过蒸汽总管进入调车机构之后，经由汽轮机调 节阀进入主汽轮机组做功。对于具有中间再热的汽轮机组，经过高压缸后的 蒸汽，将在再热器中再次加热，然后依次通过汽轮机的中低压缸，成为废汽。 汽轮机组出来的废汽排入主冷凝器冷凝( 主冷凝器冷却用的舷外水由辅助汽 轮循环水泵抽取) ，冷凝后的冷凝水进入热水井再经凝水泵泵入除氧器中， 此时的冷凝水吸收废汽所含的热量加热至1 0 5 左右。从除氧器中出来的水 通过给水泵、经经济器输送到锅炉蒸发系统的汽包中。在经济器中依靠锅炉 燃烧烟气的对流热量给水被加热至1 7 0 2 1 5 c 在蒸发系统的汽筒中分离出来 的饱和蒸汽少部分直接进入弱过热蒸汽系统，其余大部分进入蒸汽过热器进 行等压加热，变成高参数的过热蒸汽。这样，在蒸汽动力装置中水和蒸汽就 1 0 哈尔滨工程大学硕+ 学f 7 = 论文 完成了一个“汽水 闭式循环。 图2 1 船用蒸汽动力装置汽水系统流程图 2 1 2 船舶蒸汽动力装置自动控制系统组成 船用蒸汽动力装置自动控制系统总体结构框图如图2 2 所示。 船用蒸汽动力装置自动控制系统是一个具有二级结构的递阶控制系统， 上一级是协调控制级，下一级为基础控制级。把自动调节、逻辑控制和联锁 保护等功能有机地结合在一起，构成一个具有多种控制功能，能满足不同运 行方式和不同工况的综合控制系统p 0 1 。机炉协调控制系统的任务是使蒸汽 动力装置能够快速地跟踪外界负荷的变化，同时又能保持主汽压的稳定。 从蒸汽动力装置本身来看，其出力是由锅炉和汽机共同决定的，但是两 者在适应负荷变化的能力上却存在着很大的差异，这也正是负荷控制的困难 之处。对汽机来说，从蒸汽进入到输出功率改变一个快速的过程，与此相比， 锅炉的惯性要大的多，因为从给水蒸发形成过热蒸汽，是一个相对较慢的过 程，具有很大的惯性和滞后，而且燃烧过程本身就是分部参数的过程，易受 到各种内部、外界干扰影响。负荷控制的目标就是控制锅炉和汽机各自的出 力，使之相互适应，以满足外界负荷的要求，相互适应的标志是主汽压的稳 定程度。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 协调控制 级 锅炉指 一- 生产过程 图2 2 船用蒸汽动力装置自动控制系统框图 与陆地电站单元机组控制系统相比，一个重要区别是没有引风量调节系 统和汽温调节系统。这是由于船舶蒸汽动力装置采用的锅炉，为提高热传导 效率，锅炉燃烧室中保持正压状态，因而没有设置引风量调节系统。而锅炉 汽包中的汽温调节则是采用给水控制来调节的。这样的配置能够做到，减少 锅炉体积，提高资源利用效率的效果。 自动控制系统中还包括锅炉燃烧控制系统、给水控制系统、辅助控制系 统和汽机负荷调节系统等基础控制级。 2 2 机炉系统控制方式 从协调控制的角度考虑，锅炉一汽轮机系统可以简化为一个2 * 2 的系统 ( t i t o ) ，用下面的图2 3 表示。 其中为锅炉燃烧率指令信号，所为汽轮机调节阀开度指令信号，所为 锅炉输出主蒸汽压力，机为汽轮机实际发出功率。g 加( s ) 为锅炉主蒸汽压力 对燃烧率指令的传递函数，g 胎( s ) 为汽轮机实发功率对燃烧率指令的传递函 1 2 田副 。；。；辆理。； 础级基制 哈尔滨工程大学硕十学何论文 数，q r ( j ) 为锅炉主蒸汽压力对调节阀指令信号的传递函数，( s ) 为汽轮 机实发功率对调节阀开度指令信号的传递函数。 图2 3t i t o 系统 船用蒸汽动力装置的负荷输出的控制主要由协调控制系统来完成和实现 的。由于船舶不同工作状态下，对动力装置能量输出有不同的需求，且为了 保障机组的安全运行，因此应为动力装置设计多种运行方式，以满足不同工 况、不同汽压运行方式的需求。和达到提升运行安全性、响应速度和节省能 源的目的。现有的运行方式，基本上都是由几种基本的负荷调节方式基础上， 通过增加控制环节或者更改响应顺序升级而成。基本的负荷调节方式有如下 几种p “。 ( 1 ) 锅炉跟随汽轮机的负荷调节方式 锅炉跟随汽轮机负荷调节系统一般简称为炉跟机方式，其结构方框图如 图2 4 所示。 图2 4 锅炉跟随汽轮机运行方式系统方框图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图中，g r ( s ) ，研( 5 ) 分别为锅炉主控制器和汽轮机主控制器的传递函数， ，为船舶负荷要求指令，厶为锅炉主汽压给定值。 在锅炉跟随汽轮机运行方式中，由汽轮机主控制器q ( s ) 控制主汽轮机 的输出功率f ，锅炉主控制器q ( s ) 控制主蒸汽压力所。船舶推进系统负荷 要求改变时，传递给蒸汽动力装置的功率指令信号，改变，汽轮机主控制器 的输出即调节阀开度指令信号变化，进而改变汽轮机的进汽量，汽轮机的输 出功率随即改变趋近负荷要求。而当调节阀开度变化时，也会影响到锅炉主 蒸汽压力，使肼与蒸汽压力定值厶出现偏差，锅炉主控制器动作改变燃烧率， 维持主蒸汽压力稳定，系统达到稳态f = r n ，p t = r o 。 ( 2 ) 汽轮机跟随锅炉的负荷调节方式 图2 5 汽轮机跟随锅炉运行方式系统方框图 汽轮机跟随锅炉的负荷调节系统示意方框图如图2 5 所示。 汽轮机跟随锅炉运行方式简称机跟炉方式，与炉跟机方式相反，它是利 用锅炉主控制器输出燃烧率指令信号改变汽轮机的输出功率；而汽轮机主控 制器通过控制调节阀开度来跟踪主蒸汽压力定值。当船舶负荷要求改变时， 负荷定值与实际功率的差值使锅炉主控制器发出改变燃烧率的指令地，燃烧 率改变后由于调节阀开度不变，主蒸汽压力随之改变，汽轮机主控制器发出 改变调节阀开度的指令胁，从而改变汽轮机的进汽量。最后稳态时，达到 n e2 r n ，p t2r po 汽轮机跟随锅炉负荷控制系统的优点是主蒸汽压力的变化较小，蒸汽动 力装置运行稳定，但是系统响应速度较慢，在负荷指令改变时，由于锅炉环 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 节的滞后，汽轮机输出功率不能迅速满足要求。 造成这种现象的原因是，当船舶蒸汽动力装置负荷增加时，给定汽轮机 功率信号与汽轮机输出功率的偏差使锅炉主控制器作用，增加了锅炉的燃烧 率，汽包内汽压升高，蓄热增加，使得肼上升，与主汽压的定值有偏差，汽 轮机主控制器的输出使汽轮机调节阀开度加大。而汽轮机环节响应速度很快， 因此办的偏差不会扩大。在负荷减小时，也是通过降低炉膛的燃烧来实现的 这种调节方式利用的是增加炉膛的燃烧来提升汽轮机的做功，较慢的锅炉蓄 热过程导致了装置不能很快地响应负荷的需求。对于锅炉汽包的蓄热能力是 一种浪费。 ( 3 ) 协调控制方式 显然，前面两种基本的负荷控制方式均未考虑多变量控制系统耦合的特 点，而由两个控制器分别对各个回路实行控制，因此不能将两个控制回路联 系起来，从而不能充分合理地利用汽机的快速负荷响应能力和锅炉蓄热能力， 都不能同时满足既能迅速响应外界负荷需求，又使汽压波动较小的要求，达 不到控制系统对于快速性、稳定性的要求p 矾。 为克服上述基本负荷控制方式的缺点，在设计船舶蒸汽动力装置协调控 制系统时应考虑到“船舶主锅炉与主汽轮机是一个具有相对独立性的整体协 这