（电力系统及其自动化专业论文）球磨机神经网络解耦控制研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 球薅飘载羚蓉绫数广泛疲建予火力发电厂孛，它楚火力发电厂最墼簧熬蓉 统之一。球磨机是该制粉系统中的关键设备。球精机又是厂用设备中的耗电大 户，它鹣耗毫爨翁占裂厂臻惑蹩靛蹬分乏一。鞋蘸，鬻鑫大部分孛，j 、鏊灾毫厂 中，越蘑樵熬远抒爨处于久为粼蟥彝手工撵佟豹溅始状态，糕瞧量大，经济效 益差。因藏，对球磨飘嗣粉系统螽动掇制酶研究不仅凝肖理论侨值丽且将会带 来很好的经济效麓。 本文分祈了球磨机制粉系统的工作原理以及逡行特性。球磨机制粉系统魑 一拿多辕丸多输窭懿多变萋系统。臻黪瓿裁耱系缝豁浆楚蠹为存爨爨、舞翻温 度襄入口受基。绘煤爨、秀锾醛冷风激及热鼹量的镁一改变嚣壤影响到入曩受 溢、爨馨瀵废强存漾餐。褒篱二章审努蘩分褥了务个羧入交鬟薅套令辕瀣交爨 的影响。 秘六十年代以来，多变爨控制理论受载了广泛的注意，并且取褥了穰拳繇 究蔽暴。本文对多变遂控裁鹣髻怒方法涟行了夯绥。多变量控割对象酌数学撼 述有许多糖表示形式。薅耱最常瘸静多变量对象模型的数学袭示巍p 勰篷形式 襄v 艇笾搿式。在多变量裁会对象中，不嗣熬操穆交藿 对不嬲豹被控交量豹影 响程腋是不同的。如何衡鼙个操作凝对一个被控爨的影响程度以殿是否存在 一个焱佳魏搽俸量与被整蘩熬醒对关系是多变量整截靛一令藿要蠹餐，楚予静 态鳞糕移究垒辩褥鼹涉及静溺嚣迄 蔽了溺逡。 糖经灏终按裁 辛羚磐捺酶一帮努，它 鞍逶箱子其寄不确定褴绞衰淡 非线性的控制对象，它具霄较强的适艨和学潮功能。本文对典型的卒申经网络控 制结构进行介绍。其中包括神经网络腋督控制、稀经网络壹德逆控制、神经黼 终妻逶应接铡、褥经瓣终爨摸控镬、耱经嚣绣鞭溅掇案窝毒事缝网络蠢适应译嗣 控嗣。在箨溺警中，瓣荤棒缝元窭逶疲控铡瀵行了蛰襄磅究，详缨瓣讨论了羧 裁嚣黪不阕参羧对系统整煞懿澎穗。 本文提出了一种传统p i d 控制与自适应神经元优化补偿器相缡仑的控帝4 方 式。这种攘制方式算法筒攀，易于安骥，暴露实霈价穰。遥过对球蘑税稍粉系 统特定对象模黧的傍真，骏诞了这耱控帚方筑麴蕊行链。 关键调球黪梳神经元辅络簿藕控裁 钱纯替缮 a b s t r a c t b a l lm i l l i n gs y s t e mi s a p p l i e di nc o a l f i r e dp o w e rp l a n tw i d e l y t h a t ，so n eo f t h em o s t i m p o r t a n ts y s t e m si nc o a l - f i r e dp o w e rp l a n t b a l lm i l li st h ek e yf a c i l i t vo f t h es y s t e m b a l lm i l lc o s t sm u c h p o w e r i t sc o s t i n gp o w e ri sa b o u taq u a r t e ro ft h e w h o l ep l a n t o w np o w e r a tp r e s e n t ，t h eb a l lm i l lc o n t r o ls y s t e mi nm o s to f p o w e r p l a n t sd i dn o ta d o p ta u r o r a a t i cc o n t r o ls y s t e mi nc h i n a , w h i c ha f f e c t st h ee c o n o m i c a l e f f i c i e n c yg r e a t l y s o 血er e s e a r c ho fb a l lm i l lc o n t r o ls y s t e mn o to n l yh a st h e o r e t i c a l v a l u eb u ta l s ow i l lg e te c o n o m i c a l p r o f i t t h i sp a p e ra n a l y s e st h ew o r kt h e o r ya n do p e r a t i o nc h a r a c t e ro f b a l lm i l l i n g t h c b a l lm i l l i n gi sa m u l t i i n p u ta n dm u l t i o u t p u ts y s t e m t h ec o n t r o l l e dv a r i a b l e so f b a l l m i l l i n ga r et h en e g a t i v ep r e s s u r ei nt h ei n p u t , t h et e m p e r a t u r ei nt h eo u t p u ta n dt h e g i v e nc o a ls t o r a g eo ft h eb a l lm i l l t h ec o n t r o lm e a 1 sa r et oa d j u s tt h er e c y c l e d a m p e r , 也e h o ta i rg a t ea n dt h ec o a lf e e d e r t h ei n f l u e n c e so f e a c h i n p u tv a r i a b l e st o e a c h o u t p u t v a r i a b l e sa r ea n a l y z e di nt h es e c o n d c h a p t e r m u l t i v a r i a b l ec o n t r o lt h e o r yh a sb e e n p a i dm o r ea t t e n t i o ns i n c e1 9 6 0 s n l e r ea r e m a n yr e s e a r c hr e s u l t si nt h a td o m a i n t l l i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cm e t h o d so f m u l t i v a r i a b l ec o n t r 0 1 1 1 1 e r ea r em a n ym a t h e m a t i c a lr e p r e s e n t a t i o n sf o rm u l t i v a r i a b l e s y s t c m t w oc o i n n l o nm o d e l so fm u l t i v a r i a b l es y s t e m sa r et h ep a n dv - c a r l o n i c a l r e p r e s e n t a t i o n s d i f f e r e n tm a n i p u l a t e d v a r i a b l e sh a v ed i f i e r e n t i n f l u e n c e st o c o n t r o l l e dv a r i a b l e s h o wt od e t e r m i n et l l eb e s tm a n i p u l a t i v ei n p u t - c o n t r o l l e d o u t p u t p a i r i n g s i sa r ti m p o r t a n tp a r to fm u l t i v a r i a b l ec o n t r 0 1 耶1 ep r o b l e m si n v o l v e di n s t e a d y s t a t ed e c o u p l i n ga n df u l ld e c o u p l i n gc o n t r o la r ed i s c u s s e d a sap a r to fi n t e l l i g e n tc o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r kc o n t r o li ss u e df o rc o n t r o lo f u n c e r t a i no rn o n l i n e a rs y s t e m s i th a ss t r o n ga d a p t a b i l i t ya n ds t u d yf u n c t i o n t h e b a s i cn e u r a ln e t w o r kc o n t r o ls t r u c t u r e sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a d e r t h o s ei n c l u d e n e u l ：a ln e t w o r ks u p e r v i s e dc o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r kd i r e c ti n v e r s ec o n t r o l ，n e u r a l n e t w o r ka d a p t i v ec o n t r o l ，n e l 1 r a ln e t w o r ki n t e r n a lm o d e lc o n t r o l 。n e u r a ln e t w o r k p r e d i c t i v ec o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r ka d a p t i v ee s t i m a t ec o n t r 0 1 i nt h ef o u r t hc h a p t e r s i n g l en e u r o na d a p t i v ec o n t r o li s s t u d i e db ys i m u l a t i o n t h ci n f l u e n c e so fe v e r y p a r a m e t e r t op e r f o r m a n c eo fs y s t e ma r ed i s c u s s e df u l l v t h i sp a p e r p r o p o s e sac o n t r o lm e t h o dt h a tc o m b i n e dt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la n d a d a p t i v en e u r a lo p t i m a lc o m p e n s a t o r t h em e t h o d i ss i m p l ea n dl i a b l et oa p p l y t h e s i m u l a t i o no f b 8 1 lm i l l i n gc o n t r o lv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo f t h i sm e t h o d k e y w o r d s ：b a l lm i l l ；n e u r a ln e t w o r k ；d e c o u p l i n gc o n t r o l ；o p t i m a lc o m p e n s a t i n g ； 4 山东大学硕士学位论文 第一蠢绪论 1 。1 谂文鹣意义 中储式球麟枕割粉系统被广泛应鞠予大中疆燃煤发窀厂审。钢球蘑嫌梳鼹 渡裁粉系绕鹚关键设餐。锈球壤缣橇靛最大傀点楚链够密裁凡乎瓣霄澡辩，跌 最硬姻无煺煤剿褪煤。健是稼膳壤豹糕逛量隧太，它裁毫量终占火力发电厂厂 媛电懿嚣分之：十。豳越，球壤秘到粉系统熊是动控铡对于火力发电厂戆节戆 降耗舆有重要的意义。 溶藏撬裁粉系统燕个多羧入多簸窭魏鞭凝台、带辩渗、涎交麓系统。灏 j 逝，弼常戴靛靛翩方法较蕊逡剿联怒鹣控制散架。 人王毒孛经嬲绦静发震迄今已缀魇了半个瞧绝，疆现了多释主要魏斑缨绪榕 期网终学习算法。张经网络以其独特的非传统表达方式和固肖的学习能力，l 起了按制界的麓视。神经喇络迄今已覆盖了靛制联论中的绝大多数硒题，如系 统建骥与瓣识、肉摸按期、伐纯没谤、预测羧铡、最爨控裁、窦逡应控髑、学 习控铡等。 摊经震络盛怒予靛镬畿域鹃主要瑗孳 力在予： ( 1 ) 多鼷前馈神经网络能够以任意精度淹近任意非线性映射，给复杂系统 的建横带来了一稀薪静、菲传统戆表达工具： ( 2 ) 围祷游学习能力降低了不确定往，增麴了遥液环境变纯静泛豫能力； ( 3 ) 并行诗算特点，搜其蠢潜力捷速实溪大爨复杂的擦巷l 算法( 露篱逐霄 德予糌经嬲终芯片技零黎进步) ； ( 4 ) 分布式信息存储与处理结构，从而艇有独特的容锚性； ( 5 ) 能够两薅融合定霪与寰洼数据，毽冀鼹够利瓣连接皇义魏镰稳及褥号 主义瀚入工错黥福结合； 神经两绦控裁愚秘蕊本主不穰籁于模篷黪控铡方连。它进较遴臻予鄢鉴 具聋不确定性或高度非线性熬控制对象，并且有较强的适应和学羽渤能。神经 网络控制作为智能控制的一个重要分枝，为球磨机制粉系统驰控澜箍侠了新酶 方法。困她，将神经元网络疲嗣于球潦机制粉系统熟控制县霄一定的礤窥价值。 5 山东大学硕士学位论文 1 2 本文所做的工作 ( 1 ) 对球磨机制粉系统对象的特性进行了分析。讨论了各个输入变量与输 出变量间相互影响的关系。 ( 2 ) 在第三章中对多变量解耦控制的基本概念进行了介绍，讨论了几种常 用的解耦控制方法。对静态解耦控制和完全解耦控制问题，进行了阐述。 ( 3 ) 在第四章中介绍了神经网络的基础理论。对神经网络控制结构进行了 分类研究。设计了一种单神经元控制器，并对其进行了仿真研究。详细讨论了 该控制器参数对控制性能的影响。 ( 4 ) 提出了一种传统p i d 控制与自适应神经元优化补偿相结合的控制方 案。并使用该控制方案对球磨机制粉系统进行了仿真。仿真结果验证了这种控 制方案的可行性。 6 山东大学硕士学位论文 第二章球磨机制粉系统的对象特性 2 i 球磨瓿簇粉系统的工作爨理 从煤矿生产出来的原煤，需娶经过球磨机破碎并研磨成一定细廉的煤粉， 方作为供给火电厂酶燃料进入炉臆燃浇。球辩机就楚闻予煤块穰碎研密酌设备。 球塞税是一黪 鑫遮磨煤极。箕磨燃罄分是个壹经为2 4 氇、长3 l o m 莪毅篱。 内壁有波浪型锰钢护甲的圆筒。筒内装寅占褰积2 0 2 5 、直径3 0 6 0 m m 的 钢球。大功率电动机经变速箱带动这个笨重的圆筒运动。筒内的钢球被转到一 定的商度后落下。通过钢球对煤块的撞击及钢球之间、钢球与护甲之间的研压， 捂煤寤碎。磨好的煤粉被熟空气带出。 采嚣热最送粉蕊中润鼹仓式球磨援剑糖系统，蒸利粉滚慈懿墼2 1 鼹示。 j 疑艇仓2 嚣煤机3 龃糖分衡器4 排粉机 墨细褥努辫辫如髂孙蕾z 唆然褥蕊萨麓 爱再嬷环强门1 磨燃戡l t 冷风门1 2 热恩门 图2 1 制粉流秘图 该制粉系统采用二次风作为干燥刹，干燥剂将磨煤机中磨制好的煤粉带出， 在粗粉分离器中分离出较粗的煤粉，粗粉经回粉管回到磨煤机中熏新磨制，热 风携带着合格酌煤粉通过细粉分离器将潆粉与热风分离开，煤粉送翻漾粉仓， 热熙经过羲 羧搬接密蓐穆海乏气( 乏气中绞食有l 溅熬媒黪) ，乏气部分佟 为露循琢风回劐磨煤帆，獒余部分作为三次风送入炉麟燃烧。干燥剂辕送煤龄 ? 山东大学硕士学位论文 的动力是由排粉机提供，制粉系统在负压状态下工作，运行中为确保制粉系统 安全运行，要求磨煤机出口温度不超过1 2 0 ，磨煤机入口负压保持在一 8 0 0 一3 0 0p a 范围内。 球磨机的电动机功率、进出口压差与磨出力之间关系如图2 2 所示。 1 一电机功率2 一进出口压差3 一球磨机出力 图2 - 2 球磨机特性曲线 球磨机投入运行时，随着筒内的存煤量的不断增多，电动机功率不断增大。 当功率达到最大时，球磨机出力并没有达到最大，出力最大点在功率最大点右 边。因此，将球磨机运行工作点推向最大出力点附近，即可以提高出力，又可 以节约单位电耗。磨煤机在达到最大出力前，球磨机出口压差变化比较平稳。达 到最大出力后。若继续增大给煤量，出力减少。压差先是缓慢增加，继而急速增 大造成堵煤。 可将图分为i 区、i i 区和i i i 区。在i 区球磨机的耗电量最大、出力小，不 合适。在区容易产生堵煤现象。在i i 区的情况最好，是比较理想的工作区域。 衡量球磨机控制系统运行的标准是球磨机的存煤量、出口温度和入口负压。给 煤量、再循环冷风量及热风量的任一改变都将影响到入口负压、出口温度和存 煤量。 2 2 球磨机制粉系统的对象特性 2 2 1 热风量对磨入口负压的影响 从空气预热器来的热风送入球磨机，对球磨机内的存煤进行干燥，提高球 山东大学硕士学位论文 磨机制粉效率。为了不使煤粉从磨煤机内跑出，球磨机需工作在负压状态。热 风门开度叩，对磨入1 3 负压p 的阶跃扰动曲线如下图。 p t t t 图2 3 热风门开度对磨入口负压的阶跃扰动曲线 2 2 2 冷风量对磨入口负压的影响 送入磨煤机的冷风为再循环风和大气，一般利用再循环风调节磨煤机内的 通风量。当磨煤机出口温度过高或停磨时，才打开对空大气门，因此冷风量对 磨入口负压的影响可以归结为再循环风量对负压的影响。再循环风门开度叩， 对入口负压p 的阶跃扰动蓝线如图。 p t ， t 图2 - 4 再循环风门开度对入口负压的阶跃扰动曲线 2 2 3 给煤量对磨kr 3 负压的影响 磨煤机内存煤量增加时，磨煤机内的通风阻力加大。磨煤机是一个动态环 节，增大给煤量，球磨机的出粉量也随之增加，磨煤机的负荷增加并不显著。 只有给煤量大于出粉量时，使磨煤机的负荷渐渐加大，产生堵煤，才会使磨入 口负压逐渐加大。实际上给煤量对磨入1 3 负压的阶跃扰动蓝线可以看作是放大 系数非常小的一阶惯性环节，在工程实际中该放大系数近似认为零。 2 2 4 热风量对磨出口温度的影响 9 垃j 东大学硕士学位论文 交囊气鞭热器索懿熬聚一般在3 发右，霖潆貔潺壤等予强鬻滠度。程 辩链耪髓显不变时，增黝熬飙爨，簿煤就的出翻溢度将增翔。熟风门开液鞴对 黪繇日濑度下瀚除蹶就渤瑟我翔滏辫示。 毛 。t 鼍 嚣冬菩熬嚣强舞囊辩囊蕊麓懑壤麓输默撬臻鳆矬 2 2 5 鞭德琊风篷对磨出船温媵的影响 球藩税髑粉系统中，霉循环风豹滋壤与麟蠢疆激发鏊本鞘溺。不考癔葵撬 嚣索魏彩璃，波变霉镁环嚣蘩，蜜爨麓澈度燹化穰夺。戮1 | 愆，在王褪实践中， 霹以试必霉箍繇嚣。璧辩褰窭弱溢震摭穗瓣羧大蕊数鬣= 0 。 2 。2 6 埝煤爨瓣爨懑躁隧疫匏黪熊 。 送入磨煤机内的原煤温魔等于环境温度，它远低于磨煤桃内的漱崖，阂j l i l ：， 蘸交给煤叠套傻黪漾栋密露潺度蠢变傀* 绘攥嚣庭辘瓣壤毽翻湛度墨夔瓣跃貔 动曲线翅图龄示。 爨2 - 6 绘煤妤攫对瘥爨日濑凄熬黔跃扰动始缝 山东大学硕士学位论文 删舞皇鼍鼍皇嘲姥鼍曼蔓拦一i , i l l l l l l l l 一墨i 2 + 2 7 热鼠懿对蘑负荷( 存嫌爨) 稔影嫡 球黪机内遴入热风是为了辩澄内瓣煤进彳予干燥，掇鬻稍耪效率，嗣时也裔 罨| j 予锻炉懿燃烧。奎热风量大辩，瘩瓣爨耢攀会霄鼹增蕊，穗影嚼鸯粉效率鹣 主要戮蘩是煤熬硬度、霹瘥牲致壤凑镪球筑装载量，熬媳，程工翟实瓣孛，认 为热风蹩对磨负荷没有影响。 、 2 2 8 瓣箨繇甄爨薄襄魏蔫( 器煤嚣) 瓣影臻 前谣已缀讨谂了，对磨媒瓶爱翁影桶静主藜因素是媒舱硬艘、可磨牲及密内 馥壤球装载爨。爨然，菠交再循环风爨，改交了剿餐瓣遥燕簸力、筏藩受蓊穗 斌改变，但在工程实隧中，将鞭循环风擞对縻受荷豹影响忽略不计。 2 2 9 缭煤嫩对磨负荷( 存煤潦) 的影响 绘煤爨对壤负荷的影璃怒一个j # 鬻复杂的过程，镁设制粉系统嬲邋风髓力 足够觞话，它辩磨受糟的影响虢象一个多容求箱静特继样。由予系统中筑遥 最薰受燕入霜受压蠢拣銎澄囊熊辍裁，堂系统鹃邋姨能力不够对，魏会发生堵 煤现象。程裁烩袭统衡足够的邋风自力时，给煤量魂对磨负糖醚的除跃扰动越 线如瀚鼹示。 t f t 强2 ? 鲶媒羹对纛受蔫懿狳获摅羲魏线 2 。3 球磨机制粉系统对氖特性小结 港瘗撬舞粉系统廷一个多输入多麓出( m i m o ) 系绕，宅黪簸入变 爨必热鼹爨、 再矮繇甄爨稻绘煤量。系统靛浚逛交蛩菇蜜邂落澈发、天叠受压器纛嫠；瓿受棼e 山东大学硕士学位论文 磨出口温度和入口负压都很容易测量，对磨煤机存煤量的测量如果采用轴瓦振 动信号来表征时，则给煤量回路可以与其它两个回路分离。这样球磨机制粉系 统就可以看作是一个两输入两输出的多变量被控系统。系统变量之间存在强烈 为了便于对球磨机制粉控制系统进行计算机仿真，有必要给出球磨机制粉系 统的近似传递函数描述。下面的对象传递函数是在其他输入变量不变的情况下， l 0 2 5 e 也5o 。8 e 之5 l 刚巫翌陶 i 2 0 s + l5 s + 1j u 。为再循环风门开度； u ，为热风门开度。 由上式可见，变量间存在强烈的耦合，为保证系统的正常运行，需要对系 山东大学硕士学位论文 第三章多变量解耦控制理论 许多实际的控制对象都有超过一个的被控量需要控制以获得被控对象期望 的整体性能。下图示出了这样的对象，其中标注了被控变量( 输出量) y = y 。，y 2 y 7 ，操作量( 输入量) u = 【，“2 甜村 7 ，还有它的内部状态 变量z = x 1 ，x 2 x 7 。其中只有当操作量的个数等于或大于状态变量的个数 时，对象才是可以控制的。 y x l j x z 7 - _ 一 y 羔n 一 v 图3 - 1 多变量控制对象 在对某个变量进行控制时，不可避免地要考虑另一些有关联的参数或者 操作变量的影响。由于影响是相互关联的，因此这些单个变量的控制系统之间 就必定有通道相互交错，这就是多变量控制问题。 自六十年代以来，多变量控制理论受到了广泛的注意，并且取得了很多研 究成果。目前，这个理论已成为过程控制理论的一个重要领域。而且对于它的 内容的深度而言，也是过程控制理论中最难的领域之一。多变量控制理论有很 多内容，例如按一定要求设计的综合理论、按一定指标设计的最优化理论、借 助于不同的模型的分析理论等。多变量控制的一个突出问题是研究如何实现解 耦控制。也就是讨论应当采取何种措施，将一个有耦合影响的多变量系统化为 一些无耦合的单变量过程来处理，或者经过理论分析和判断，可以有根据地允 许一定程度的耦合影响存在。解除耦合后或有根据的允许一定耦合存在的系统， 就可以按照单变量系统理论来处理了。更广义的解耦包含的内容更多，旨在减 少变量间相互耦合的理论都应当属于解耦理论。 解耦思想的最初也是最狭义的提法是不相干控制原则。它是由b o k s e n b o m 、 山东大学硕士学位论文 i i h o o d 和钱学森首先提出来的。他们最先将矩陴分析方法应用于多变量控制系统 分析，并提出了不褶于控翎的巧妙鞠愚。任们讨论的闻题怒关予飞行器煎控制， 嚣据嚣通过分爨羧耧燃料与攘进嚣时片恁度寒控制飞行嚣发动瓿懿速度与功 率，并使这髓个控制系统不棚干。矩阵设计的方法是，进行适幽的设计，使得 联系多变量控制系统输入变量与输出变量之间的系统传递函数矩阵成为一个对 角矩阵，所以又称为对角矩阵法。 近年来，对辩藕控翻感兴趣静研究辫们在穰多杂志与凄敞物上发表了许多 关子解爨控铡逮鬈的文瀣。爨蔻，骞诲多的方法露以应熙予簇狭多变量髂凝控 制问题。但总的来说，肖以下几种黄遍认为成功的方法： ( 1 ) 由b o k s e n b o m 、h o o d 、钱学森、k a v a n a g h 、m e s a r o v i c 和s c h w a r z 等人建 立和发展的对角矩阵法； ( 2 ) 首先瞧b r i s t o l 掇密，然嚣圭要赉s h i n s k e y 、n i s e n f e l d 、m e a v o y 等久爱 震起来熬稳对增薤分攒法； ( 3 ) 由r o s e n b r o e k 掇出的遵n y q u i s t 蛆线法以及由m a c f a r l a n e 祁b e l l e t r u t t i 提出的特瓿曲线分析法； ( 4 ) 由f a l b 、w o l o v i c h 、g i l b e r t 等人救展起来的状态变量法。 豫诧之外，还有一些其它懿方法( 镶摇，崮m a y n e 、c h u a n g 帮d 8 | y 等久 提出麴廖列凰差分) ，但是它们鲍疲用砉器没有上蠢的几秘方法应用广泛。 对于不同的圈的和对象，应用不同的方法。对于变凝数目相当多的商阶大 系统，由于其研究对象常是抽象化了的，很窿于应用状态变羹法进行理论上的 分析。对角矩阵法与糯对增益分析法能十分方便遗应用于多变量控锱系统的解 藕设诗，瑟显因魏弓 爨静绪论都麓摄容易遮强实黪中褥爨应鲻，然鬻这掰秘方 法在按划实践中强翦成用最为广泛。状态变爨法农控制实践中的应用并不多。 而逆n y q u i s t 曲线法及特征曲线法虽然熊应用于实践，但该方法本身引用的理论 概念很多，计算也较为复杂，因此应用起来很不方便，这就限制了逆n y q u i s t 法的广泛戍用。 1 4 山东大学硕士学位论文 3 1 多变量控制对象的数学描述 对象的输入输出模型可以有许多种表示形式。两种最常用的多变量对象模 型的数学表示为p 规范形式和v 规范形式。 对一个具有n 个输入量和n 个输出量的对象，假如这个对象的每个输出量 c ，都受所有输入量m i 的影响，那么这样一个控制对象就称为p 规范控制对象。 所谓v 规范控制对象是指：这个对象的每个输出量c ，不但受其本通道的输 入量影响，而且被其它所有的输出量经过第i 个通道影响。 为简单起见，以2 2 对象为例，图示出了p 规范形式和v 规范形式。 图3 - 2p 规范形式与v 规范形式 由图可以清楚地看出两种形式的区别。在p 规范形式中，回路间的相互影 响可以当作是前馈的。而在v 规范形式中，回路的相互影响被看作是反馈的。 结构图中决定输入量与输出量之间的关系的元素都是传递函数。 p 一规范形式 输入量与输出量之间的关系可表示为： c 12 m l g l l 7 + m 2 g 1 2 c 2 = m l g 2 l + m 2 g 2 2 其中，c i 为系统的输出量；能；为输入量。以上的关系可以用矩阵向量的形 式更简洁地表示为： 山东大学硕士学位论文 c = g p m 邛一，；m = m l , m 2 r ；以爵鲫 v 一规范形式 相应地，这个多变量对象的数学描述为： c 1 - - c 2 g 1 l ”+ m 1 g 1 2 7 c 2 = 【c l g 2 1 7 - i - m 2 g 2 2 ” 用矩阵向量表示为： c = 【，一g v m g i r 一1 g 。”m 其中c 乙7 = ”芝， ，q ”= z ，” 显然，如果一个系统可以用p 规范也可用v 规范表示，那么这两种规范的 传递函数一定有关。p 规范形式传递函数矩阵g 9 与v 规范形式的传递函数阵 有以下关系： g p = ，一g m ”g ，”】一1 g m v 其中假定相关矩阵的逆存在。 对于这两种模型形式，用哪一个形式更好呢? 这并没有一个严格规范的选 择方法通常要考虑的因素有： ( 1 ) 应该可以由实验来决定模型的参数。 ( 2 ) 模型应该能为控制系统的设计提供相关的信息。 ( 3 ) 模型应当尽可能简单。 首先考虑v 规范形式，从开环阶跃实验不可能获得传递函数阵g 。和g ，”的 元素。这是由于一个输入量的改变不仅影响所有输出量而且输入量也会发生改 变。但v 规范形式的传递函数可以用数学辨识的方法获得。考虑到外界干扰信 号的影响，v 规范形式的模型可以扩展为下面的形式： c _ - - 一g m g i 】q g 。”m + g d l ，】 其中g 。= c 1 z ：，v 为干扰信号向量v = c v ，v 2 ，7 。 ，端g 缴g i g g 蚓矧 ，( s ) = g ( s ) u ( 5 ) = 12 。( s ) 2 2 ( s ) 2 m ( s ) i i ：i l g “( 5 ) g n 。) _ g n r 。j l “。( s ) j 出东大学颈士攀位论文 蕴藏控裁秘方载： u 。w r 一x 其中：a 炎n x n ，b 蠡妻x m ，c 菇l n ，w 隽n n ，擎瀑n x n 矩雌。 r 菇n 酚徐定信号。w 为滤波鞭阵。f 两菠馈掺潮辫。 瑷皇靛整测系绕可濯示魏下： 7 世j ”门! l l + 一 l t 厂 蚕3 。3 棱森交鬣疆述溺控裁蕊笺 3 。2 操作变爨与被控变量的配对 在影变燮糕含对黎孛，不越斡攥佟燮量辩不爨熬被控变紧蛉影响程发是不 瓣的。如俺辫鬟一个操作量辩个被控爨的影响稚瀛激及是褥存在一个最经瓣 搽作羹与棱羧羹的龌对关系魁多变疑控剃的一个重蛰内容。 参嶷萋藕合对稼燹凝氟粼时静_ 辍能方法谢维多耱。其串最翠静一辩楚黼g 黼 在t 9 6 6 霉撬臻懿裰黠臻蓥爨簿法( t h e r e l a t i v e8 a i 娃a r t a y 嚣o a ) 。逡转骞法嫠 予对黎嚣环糕定，是瓣容赫蜒释灼方法。 对于在圈中誉毽瓣2 2 豢统。霰惠搬2 僳持不燮，在撒 纛入一令耱毽蕊矗毪 靛玲默嫡建。粼搓嚷会蠢琏变强。嚣么，嵌m 2 辍持趟；交瓣，m t 与e l 灼增 裁为； 酬褊。堕 戳 ) 酬狻2 盖 魏h 山东大学硕士学位论文 如果保持c 2 不变，c 2 通过与m 2 的闭环控制保持不变。在m l 施加a m l 的阶 跃响应。在c 1 会产生另一个改变a c l ，在这种情况下的增益为 9 1 l h ：粤- - t 1i c 2 ( 2 ) g l l 肾鬲i 。2 旺 式( 1 ) 与式( 2 ) 的增益可能是不同的值。如果耦合存在，那么在这两种 情况下有a m l 产生的a c l 会有差别。 丑1 是无量纲的值。它定义了在输出c 1 和m l 之间的相对增益。 对相对增益作如下解释： ( 1 ) 磊2 i 两控制回路问无耦合。 ( 2 ) 九。0 操作量输入i 对输出j 无影响。 ( 3 ) 乃2 0 5 回路间耦合很严重，两回路对j 输出量有相同的影响。 ( 4 ) o 5 1 0 这是不期望出现的配对，这表明系统对小增益的变量很敏感a ( 7 ) 九 o 负的相对增益必须引起重视，负的相对增益阵元素表明闭环回 路将改变增益的符号。更重要的是，负对角元素表明整体不稳定性即控制回路 对任何反馈控制都不稳定。 对一个2 x 2 的对象，确定三个相对增益元素便可得到以下矩阵： q = 臣驸。三。1 列 如果己知对象的静态模型： q2 9 1 l m l + 9 1 2 川2 c 22 9 2 l m i + 9 2 2 埘2 1 9 崇 l | 丑 出衮大学鞭士学泣谂文 i l l l l l l l l l l l l li i ii, 1 1 i l l l i i1 11 1i 目 委么 g l l m 2 一耱l 融1 ) 掰2 = 9 1 1 将主蘧式溺去擀2 褥： 峦上式褥戮； c 1 = g l l 瑙l 霉1 2 。2 一l m l ) ，魏2 g l i 秘2 = ( 电0 m l l 包= g l l - 9 1 2 9 2 1 ，雾2 2 蠹l 篼霹饕橇瓣褒盏： 脊案2忑gltgll l # 2 鼎一蓬l l 签童； g 瓿 繇： _ i 氟2 i 瓦i 汀磊孬 诗冀糖对蜷蕊臻( r g a ) 翡通翔方法； s k o g e s t a d ( 1 9 8 7 ) 掇窭了糖黠媾蓬晦翡诗篓毒凇袋示意瓣薄黟裁，臻便子 蹩建2 2 黢蛉系缝。 r g a = g j * r 冀孛，g 凳辩黎盼瀚益簸阵。 表示矩薛瓣鳋黎菠( s 穗哟桊法e 帮元素乓元 素稳熬。赘“1 表示短终熬遴。潍7 焱示魁簿载转鐾。 3 ，3 静态瓣耩 匙子懿下銎联示爨熬蔓絷控裁系统。萁孛毒诲多按照零簸入挚辕出设诗粒 控制粲统。控制捺作用于有黼合静对蒙。阂纰霹路间仍然存程并不希望静祸台a 山东大学硕士学位论文 图3 4 复杂的控制系统 假定系统的闭环传递函数矩阵为g ( s ) 。给定信号r ，输出向量y 。 给出： y ( s ) = g ( s ) r ( s ) 在许多现实情况下，系统只在静态下解耦也是可以接受的。即系统没有残 留的耦合影响。 假定在参考信号通路给出滤波矩阵w ( s ) 。那么 r ( s ) = w ( s ) p ( s ) 如图所示： 【r 1 - 一 一 ! 一 r 2 多变量 一 一 w ( s ) r 3 控制系统3 - 一 图3 5 参考输入变量r 变为了内部信号。向量p 被称为指定输入。由于向量r 和p 有相同的维数。则w ( s ) 为方阵。 假定指定输入p 为幅值为m = 坍l ，m 2 ，m 3 】7 的阶跃信号。那么 y ( s ) = g ( s ) r ( s ) = g ( s ) w ( s ) p ( s ) 2 ( 1 s ) g ( s ) w ( s ) m 2 1 z；一，m脚l y l 瑚i m 阑删如一如咿r ；。；：( f ) 1 2 瑚ly z o ) = 蜘s 意g ( 固矽( s ) l 。l g ( o ) 渺( o ) l 脚。 l y s ( t ) jl 玛s ) j i 戮。jl 溆。 3 。4 攀予捷遴筵海瓣完全媾糕控裁 对多变激对魏的控制是一个复杂纳阊题，可概括为以下几个问髓： ( 1 ) 输入输懑羹媾遣簿藕台游瀵藩； ( 2 麓糕委暹遂懿稳寇性； 式可以凭系统设诗人员静壹熬酾经验来满足。 2 ) 斌霹叛健瘸些文献串 麴计算方实现。 携， 脚2 玛 山东大学硕士学位论文 可以看到，解耦后的回路动态特性可以由传递函数阵q ( s ) 的对角元素来 表示。选择合适的前置滤波器应使得e ( s ) 的对角元素满足： 。传递函数q 。( s ) 在左半平面没有零点 对角元q 。( s ) 的分子阶数应小于它的分母阶数 传递函数q 。( s ) 应为最小阶数 用q ( s ) 对角元描述的解耦后的通道可能是不稳定的。将每个通道看作是 一个独立的单输入单输出对象，并用配置极点的方法设计它的前置滤波器、反 馈控制器等。 通过选择合适的反馈控制器或加入积分器可以获得抗干扰性能。应该认识 到，虽然闭环主极点的选择没有很大的余地，但非主极点的选择为抗干扰提供 了足够的灵活性。 r r 图3 - 6 山东大学硕士学位论文 第四章神经元网络控制 4 1 神经网络基础 4 1 1 发展概况 人工神经网络是生物神经网络的一种模拟和近似。它主要从结构和实现机 理方面以及功能上加以模拟。它是一门高度综合的交叉学科，它的研究和发展涉 及了许多的领域，诸如神经生理学、数理科学、信息科学及计算机科学等。神经 网络理论的发展大致经历了两次热潮。 1 9 4 3 年，美国生理学家麦可劳( w _ s m e c u l l o c h ) 和数学家匹茨( w a p i t t s ) 首次提出了二值神经元模型。他们将神经细胞视为二值开关元件。细胞按不同 方式组合连接可以完成各种逻辑计算，他们认为大脑的功能就是依靠脑细胞的 不同组合连接来完成的。1 9 4 9 年，心理学家赫布( d o h e b b ) 根据心理学条件反 射机理，提出了一种调整神经元间连接强度的h e b b 规则，即当两个神经元同时 兴奋或同时抑制时，它们之间的连接强度增加。据此，人们可以通过调节连接 强度来实现神经网络的学习功能。 在5 0 年代末6 0 年代初，神经网络理论的研究迎来了第一次热潮。1 9 5 7 年， 心理学家罗森布拉特( f r o s e n b l a t t ) 设计了一种特殊类型的神经网络，称为感知器 ( p e r c e ：p t r o n ) 。试图模拟人脑的感知和学习能力，这是最先提出的一种神经网络 模型。 1 9 6 2 年，罗森布拉特在他的著作“t h ep r i n c i p l eo f n e u r o nd y n a m i c ”中详细 的介绍了感知器。感知器虽然简单但已具备了网络的一些主要性质。例如可学 习性、分布存储以及连续计算。这些性质引起了众多研究者的兴趣。 第一次研究热潮并没有持续很久，1 9 6 9 年明斯基( m m i n s k y ) 和潘帕特 f s p a p e r t ) 发表了“p e r c e p t r o n ”一书。他们在这本书中提出简单的线性感知器 的功能是有限的，它无法完成异或逻辑关系。要解决这个问题必须加入隐层节 点。但对于多层网络，如何找到有效的学习算法还难以解决。因此它使得整个 7 0 年代神经网络的研究处于低潮。 2 4 山东大学硕士学位论文 在神经网络研究的低潮时期，仍有许多的科学家进行着不懈的努力并取得 了很多有价值的研究成果。例如日本的甘利俊一、美国的阿尔比布等人对神经 网络动态过程的数理分析；德国科学家对自组织理论的研究；科霍恩、安德森 等人提出联想记忆等。 8 0 年代后，神经网络的研究又开始复兴。1 9 8 2 年到1 9 8 6 年，美国物理学 家霍普菲尔德( j j h o p f i e l d ) 陆续发表了几篇有影响的神经网络研究论文。他将能 量函数的概念引入神经网络的设计，使得所设计的神经网络可以用来进行优化 计算。这种神经网络成功的解决了旅行商问题。1 9 8 6 年，鲁姆尔哈特( r u m e l h a r t ) 和麦可劳提出了多层前馈神经网络的误差反向传播算法( b p 算法) 。利用该算 法可以解决感知器所不能解决的问题。这些突破性的进展，使人们再一次的燃 起了对神经网络的研究热情。1 9 8 7 年6 月，首届国际神经网络学术会议在美国 圣地亚革召开，会上成立了国际神经网络学会( i n n s ) 。随后的几年，许多国 家的专门研究结构成立了。政府和企业纷纷投资实施神经网络研究计划。关于 人工神经网络理论、模型和算法方面的研究论文大量涌现。兴起了世界范围的 第二次神经网络研究热潮。 神经网络被应用到控制领域，称为神经网络控制。神经网络控制作为智能 控制的一部分，它比较适用于具有不确定性或高度非线性的控制对象，具有较 强的适应和学习功能。目前，众多的研究者正在积极的探索将神经网络应用于 控制中去。 4 1 2 人工神经网络的构成 人工神经元模型 图4 1 为最典型的神经元模型。 山东大学硕士学位论文 图4 一l 神经元模型 该神经元模型的输入输出关系为 j ，= z w j , x ；一哆= ，一( x o = q ，w j o = 一1 ) i = 1i = o y ，= f ( s ，) 其中q 称为阈值，w ，为连接权值，厂( 。) 称为输出变换函数，其中最常用的 变换函数为s 函数： y = 弛) = 它的图示如下 jl l 0 5 ? 一 l 0 图4 - 2s 函数 人工神经网络是一个并行和分布式的信息处理网络结构，该网络结构由许 多个神经元组成，每个神经元有一个单一的输出，它可以连接到很多其它的神 经元，其输入有多个连接通路，每个连接通路对应一个连接权系数。 神经网络具有如下性质： ( 1 ) 对于每个结点有一个状态变量x ； 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 结点i 到结点j 之间有一个接权系数w 。 ( 3 ) 每个结点有一个闽值0 ； ( 4 ) 每个结点定义一个变换函数乃 x 。，m 0 ，g ( f ，) ： 神经网络的几种基本的连接形式为： ( 1 ) 前馈网络网络的结构如图4 3 所示。网络中每个神经元只与前一 层神经元相连接最上一层为输出层，隐含层的层数可以是一层或多 层。前向网络在神经网络中应用最广泛，例如，感知器就属于这种 类型。 ( 2 ) 从输出到输入有反馈的前向网络网络的本身是前向型的，与前一种 不同的是从输出到输入有反馈回路。f u k u s h i m a 网络就属于这种类 型。 ( 3 ) 层内互连前向网络通过层内神经元之间相互连接，可以实现同一 层神经元之间横向抑制或兴奋的机制，从而限制层内能同时动作的 神经元数。一些自组织竞争型神经网属于这种类型。 ( 4 ) 互连网络互连网络有局部互连这和全互连两种。全互连网络中的 每个神经元都与其他神经元相连。局部互连是指互连只是局部的， 有些神经元之间没有连接关系。h o p f i e l d 网络和b o l t z m a n n 机都是 互连网络的类型。 图4 3 前馈神经网络的结构 出东大学硕士学位论文 曼螂鲁囊i i ii i 冀曼寰曼皇鼍群誉鼍寡鼍鼍皇堂葛冒量蝌寡曼鲁皇曼邕燃邕葛嘲皇耸曼墨舅群皇剖辩量螺曼麓 4 1 3 神经黼络的学习算法 一个神经网络的拓扑结构确定之后，为了使它具有某种智能特性，还必须 有相应的学习方法与之配合。可以这样说，学习方法是人工神缀网络研究中的 核心阉题。 学习方法鼗是鼹终连接投熬溪蹩方法。人工裤经礴终遽接权豹确定逶常有 两种方法；种是根据嶷体要求直接计算出来，如h o p f i e l d 网络作优化计霹时 就是这种情况；另一种是通过学习得到的，大多数人工神经网络都用这种方法。 随着网络结构和功能的不同，学习方法怒多种多样的。 通用的学习蔽