遗传算法在主蒸汽温度控制系统中的应用_毕业论文.doc

1、洛阳理工学院毕业设计（论文）I遗传算法在主蒸汽温度控制系统中的应用摘 要在 电 厂 热 工 生 产 过 程 中 ， 主 蒸 汽 温 度 控 制 的 任 务 是 维 持 过 热 器 出 口 蒸 汽温 度 在 允 许 范 围 之 内 。 过 热 汽 温 被 控 对 象 是 一 个 多 容 环 节 ， 它 的 纯 迟 延 时 间 和时 间 常 数 都 比 较 大 ， 干 扰 因 素 多 ， 对 象 模 型 不 能 精 确 确 定 ， 中 间 测 点 不 易 取 ，由 于 其 特 有 的 复 杂 性 ， 使 得 模 型 的 获 取 有 一 定 的 难 度 。 PID 调 节 是 热 工 系 统 最主

2、要 的 控 制 策 略 ， 它 直 接 影 响 机 组 的 安 全 、 经 济 运 行 。 遗 传 算 法 作 为 一 种 智能 优 化 算 法 ， 它 是 在 解 空 间 进 行 高 效 启 发 式 搜 索 ， 而 非 盲 目 地 穷 举 或 完 全 随 机搜 索 ， 应 用 遗 传 算 法 对 主 汽 温 系 统 控 制 器 参 数 进 行 优 化 ， 实 验 表 明 ， 应 用 遗 传算 法 优 化 控 制 器 参 数 的 优 越 性 。 仿真结果表明，在主蒸汽温度控制系统中，本文所设计的用改进的遗传算法优化的 PID 控制器比常规的 PID 控制器有更好的控制效果。关 键 词 ： 遗

3、传 算 法 ； 主 汽 温 控 制 ； 热 工 系 统 ； 调 节 器 参 数 ； 参 数 优 化洛阳理工学院毕业设计（论文）IIGENETIC ALGORITHM IN THE MAIN STEAM TEMPERATURE CONTROLABSTRACTIn the process of thermodynamic engineering in power plant,the main task in main steam temperature control is to control the super-heated steam temperature to some required

4、 range. The super-heated steam temperature object is a multi-container element.Its deadline time and time constant is relatively big. It has many disturbances,Its object model is not accurately confirmable.It is not easy to measure steam temperature in the super-heated implement. due to its unique c

5、omplexity, making the model to obtain a certain degree of difficulty. PID regulation is the most important thermal system control strategy, which directly affect the units safety, economic operation. Adaptive genetic algorithm as an intelligent optimization algorithm, which is the efficient heuristi

6、c solution space, rather than blindly exhaustive or completely random search, genetic algorithm, the main steam temperature system controller parameters optimization, experiments show that Application of genetic algorithm to optimize the controller parameters. The simulation results show that in the

7、 main steam temperature control system, designed in this paper a modified genetic algorithm to optimize the PID controller than the conventional PID controller has better control effect.Keywords: Genetic algorithms, Main steam temperature control, Thermal system, Regulator parameters, Optimization目

8、录前 言 .1洛阳理工学院毕业设计（论文）III第 1 章 主汽温调节系统的控制方案 .11.1 传统主汽温调节系统.11.1.1 主汽温串级调节系统 .11.1.2 采用导前汽温微分信号的双回路汽温调节系统 .21.2 先进的主汽温控制策略.3第 2 章 遗传算法的基础知识 .52.1 遗传算法的概念.52.1.1 遗传算法的生物学原理 .52.1.2 遗传算法的发展 .52.1.3 遗 传 算 法 的 特 点 .62.1.4 遗传算法的工作原理 .72.1.5 遗传算法的基本操作 .82.2 遗传算法的数学基础.92.2.1 模式的阶和模式的定义距 .92.2.2 模 式 定 理 .92.

9、2.3 积木块假设 .102.3 基本遗传算法(SGA)的组成 .102.3.1 编码 .112.3.2 适应度函数 .122.3.3 遗传算子 .122.3.4 遗传算法的运行参数 .142.3.5 遗传算法的收敛性 .142.4 用步骤遗传算法的应.152.5 基本遗传算法的不足.15第 3 章 改进的遗传算法优化 PID 控制器 .173.1 PID 控制器的结构 .173.2 改进遗传算法.173.2.1 参数编码 .173.2.2 初始群体的产生 .183.2.3 确定交叉概率和变异概率 .19洛阳理工学院毕业设计（论文）IV3.2.4 遗传算子的改进 .193.3 仿真结果分析.2

10、0结 论 .23谢 辞 .24参考文献 .25附 录 .27外文资料翻译 .36洛阳理工学院毕业设计（论文）1前 言近二十年来，火电厂锅炉机组越来越向大容量、高参数、高效率的方向发展，对机组热工自动控制系统控制品质的要求也随之提高。主蒸汽温度是一个很重要的控制参数，它控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。目前，在火电厂中，各种类型的 PID 控制器因其结构简单、参数的物理意义明确、易于调整并且具有一定的鲁棒性，在理论上有成熟的稳定性设计和参数整定方法，同时在工程应用中积累了丰富的经验。而在热工系统中单纯形法，专家整定法应用较广。虽然这

11、些方法都具有良好的寻优特性，但是却存在一些弊端，单纯形法对初值比较敏感，容易陷入局部最优化解，造成寻优失败。专家整定法则需要太多的经验，不同的目标函数对应不同的经验，而整理知识库则是一项长时间的工程。因此我们选取了遗传算法来进行参数寻优，该方法是一种不需要任何初始信息并可以寻求全局最优解的、高效的优化组合方法。遗传算法(Genetic algorithms 简称 GA)进行路径规划，所谓遗传算法就是以自然遗传机制和自然选择等生物进化理论为基础，构造的一类全局优化概率搜索算法。利用选择、交叉和变异编制控制机构的计算程序，在某种程度上对生物进化过程作数学方式的模拟，它包含了自然选择和进化的思想,具

12、有很强鲁棒性，它是一种多点搜索算法，也是目前机器人路径规划研究中应用较多的一种方法。遗传算法被提出之后立即受到了各国学者的广泛关注，有关遗传算法的研究成果不断涌现。遗传算法被提出之后立即受到了各国学者的广泛关注，有关遗传算法的研究成果不断涌现。1968 年 Holland 提出了著名的模式 (schema)定理奠定了遗传算法的理论基础；1975 年 De Jong 首先尝试将遗传算法用于函数优化，提出了 5 个测试函数用以测试遗传算法的优化性能； 1981 年 Bethke 应用 Walsh 函数分析模式；1983 年 Wetzel 用遗传算法解决了 NP 难题，即旅行商问题(TSP)；198

13、5 年 Schaffer 利用多种群遗传算法研究解决了多目标优化问题； 1987 年Goldberg 等人提出了借助共享函数的小生境遗传算法。1989 年，Goldberg 出版专著Genetic Algorithm in Search,Optimization, and Machine learning对遗传算法的研究有非常大的影响。1992 年，Michalewicz 出版另一部具有极大影响力的著洛阳理工学院毕业设计（论文）2作Genetic Algorithm + Data Structure =volutionary Programming 。我国的遗传算法的研究，从 20 世纪 90

14、 年代以来一直处于不断上升的时期，特别是近年来，遗传算法的应用在许多领域取得了令人瞩目的成果。国内二级以上学术刊物有关遗传算法的文章不断增加。国内很多专家、学者等在这方面作了大量研究，并取得了很多成果。国内以武汉大学软件工程国家重点实验室为领先，在他们的并行计算研究室内，进化计算（他们称之为“ 演化计算” ）成为一个重要的研究方向，目前已经出版了专著，并有许多硕士、博士研究生围绕进化计算选题。另外，中国科学技术大学的陈国良教授等出版了遗传算法的著作。西安交通大学以进化计算为主题的研究工作也逐渐活跃起来，同时国内相关书籍也越来越多，如武汉大学刘勇、康力山等与 1995 年出版的非数值并行计算-遗

15、传算法 ；周明、孙树栋等于 1996 年出版的遗传算法原理及应用 ；2002 年王小平、曹立明编写的遗传算法-理论、应用与软件实现等等。遗传算法作为一种全局优化算法，得到了越来越广的应用。近年来，遗传算法在控制上的应用日益增多。洛阳理工学院毕业设计（论文）1第 1 章 主汽温调节系统的控制方案1.1 传统主汽温调节系统主蒸汽温度是一个很重要的控制参数，它在控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。1.1.1 主汽温串级调节系统目前，电厂采用喷水减温来调节过热汽温系统的延迟和惯性大，为了改善系统的动态特性，根据调节系统的设计原则，引入中间

16、点信号作为调节器的补充信号，以便快速反映影响过热汽温变化的扰动，而最能反映减温水变化的是减温器出口的温度，因此入该点作为辅助被调量，组成了串级调速系统。G h 1P执行器G h 2P I D蒸汽减温水W j 1 2减温器过热器 过热器图 1- 1 主汽温串级调节系统图 1-1 为主汽温串级调节系统，图中 Gh1 和 Gh2 分别为温度变送器。为减温器后汽温， 为过热器出口汽温。汽温调节对象由减温器和过热器1q2q组成，减温水流量 为对象调节通道的输入信号，过热器出口汽温 为输出信号。j 2q为了改善调节品质，系统中采用减温器出口处汽温 作为辅助调节信号(称为导前1q汽温信号)。当调节机构动作(

17、喷水量变化)后，导前汽温信号 的反应显然要比过1热器出口的汽温 快很多。2q洛阳理工学院毕业设计（论文）2G h 1G c 2 （ s ）G c 1 （ s ）G h 2G 1 ( S ) 1 2G 2 ( S )+r_+_图 1-2 主汽温串级调节系统的方框图串 级 调 节 系 统 的 主 调 节 器 出 口 的 信 号 不 是 直 接 控 制 减 温 器 的 调 节 阀 ， 而 使作 为 副 调 节 器 的 可 变 给 定 值 ， 与 减 温 器 出 口 汽 温 比 较 ， 通 过 副 调 节 器 去 控 制 执行 器 动 作 ， 以 调 节 减 温 水 量 ， 保 证 过 热 汽 温 基

18、 本 保 持 不 变 。 图 1-2 为 串 级 调 节系 统 的 方 框 图 。从 图 1-2 的 方 框 图 可 以 看 出 ， 串 级 调 节 系 统 有 两 个 闭 合 的 调 节 回 路 ： 由 对 象 调 节 通 道 的 导 前 区 、 导 前 汽 温 变 送 器 、 副 调 节 器1()Gs1Gh组 成 的 副 调 节 回 路 ；1()cGs 由 对 象 调 节 通 道 的 惰 性 区 、 过 热 汽 温 变 送 器 、 主 调 节 器2()2以 及 副 调 节 回 路 组 成 的 主 回 路 。2()c串 级 调 节 系 统 之 所 以 能 改 善 系 统 的 调 节 品 质

19、， 主 要 是 由 于 有 一 个 快 速 动 作的 副 调 节 回 路 存 在 。 为 了 保 证 快 速 性 ， 副 调 节 回 路 的 调 节 器 采 用 比 例 (P)或1()cGs比 例 微 分 (PD)调 节 器 ， 使 过 热 汽 温 基 本 保 持 不 变 ， 起 到 了 粗 调 的 作 用 ； 为 了保 证 调 节 的 准 确 性 ， 主 调 节 回 路 的 调 节 器 采 用 比 例 积 分 (PI)或 比 例 积 分2()cGs微 分 (PID)调 节 器 ， 使 过 热 汽 温 与 设 定 值 相 等 ， 起 到 了 细 调 的 作 用 。对 于 串 级 汽 温 调 节

20、 系 统 ， 无 论 扰 动 发 生 在 副 调 节 回 路 还 是 发 生 在 主 调 节 回路 ， 都 能 迅 速 的 做 出 反 应 ， 快 速 消 除 过 热 汽 温 的 变 化 。1.1.2 采用导前汽温微分信号的双回路汽温调节系统图 1-3 所示即为采用导前汽温微分信号的汽温调节系统。这个系统引入了导前汽温的微分信号作为调节器的补充信号，以改善调节质量。因为 和 的变化1q2趋势是一致的，且 比 的反应快很多，因此它能迅速地反映 的变化趋势。引1q2 2入了 的微分信号后，将有助于调节器动作的快速性。在动态时，调节器将根据1q和 与 给定值之间的差值而动作；在静态时， 信号为零，过

21、热汽温 必然dt2 1dtq2洛阳理工学院毕业设计（论文）3等于给定值。其中 1dt表 示目 前 电 厂 普 遍 采 用 上 述 两 种 主 汽 温 调 节 系 统 ， 它 们 各 有 特 点 ， 比 较 如 下 ：（ 1） 如 果 把 采 用 导 前 汽 温 微 分 信 号 的 双 回 路 系 统 转 化 为 串 级 系 统 来 看 待 ，其 等 效 主 、 副 调 节 器 均 是 比 例 积 分 调 节 器 ， 但 对 于 实 际 的 串 级 调 节 系 统 ， 为 了提 高 副 回 路 的 快 速 跟 踪 性 能 ， 副 调 节 器 应 该 采 用 比 例 或 比 例 微 分 调 节 器

22、 ， 而 主调 节 器 则 应 采 用 比 例 积 分 微 分 调 节 器 。 因 此 ， 采 用 导 前 汽 温 微 分 信 号 的 双 回 路系 统 的 副 回 路 ， 其 快 速 跟 踪 和 消 除 干 扰 的 性 能 不 如 串 级 系 统 ； 在 主 回 路 中 ， 串级 系 统 的 主 调 节 器 具 有 微 分 作 用 ， 故 调 节 质 量 比 采 用 导 前 汽 温 微 分 信 号 的 双 回路 系 统 好 。 特 别 对 于 惯 性 迟 延 较 大 的 对 象 或 外 扰 频 繁 的 情 况 下 ， 采 用 导 前 汽 温微 分 信 号 的 双 回 路 系 统 调 节 品

23、质 不 如 串 级 系 统 。（ 2） 串 级 调 节 系 统 主 、 副 两 个 调 节 回 路 的 工 作 相 对 比 较 独 立 ， 因 此 系 统投 运 时 整 定 、 调 试 直 观 方 便 。 而 采 用 导 前 汽 温 微 分 信 号 的 双 回 路 调 节 系 统 的 两个 回 路 在 参 数 调 整 时 相 互 影 响 、 不 易 掌 握 。通 过 上 面 的 比 较 可 以 知 道 ， 串 级 控 制 系 统 对 于 过 热 汽 温 控 制 系 统 的 控 制 效果 好 于 导 前 汽 温 微 分 信 号 控 制 系 统 。G h 1P I执行器G h 2D蒸汽减温水W j

24、 1 2减温器过热器 过热器图 1- 3 采用导前汽温微分信号的汽温调节系统1.2 先进的主汽温控制策略针对主汽温这个在热工自动调节系统中属于可控性最差的调节系统（扰动因素多，滞后大） ，广大专家和学者给予了特别的关注，结合先进控制原理提出了很多新的控制方案，下面简要介绍三种：（1）自适应度控制器调节控制参数的控制方案过热自适应 PID 控制系统，其原理是将系统输出的微分和偏差引入到自适应控制器内，通过预先设计的规则，调整 PID 参数，以适应不同工作情况洛阳理工学院毕业设计（论文）4下的控制要求。它的基本控制系统是串级控制，自适应控制器用来调整主调节器的参数。（2）应用模糊理论的控制方案模糊

25、自适应导前微积分控制系统。该控制系统的原理是在采用导前微分信号的汽温调节系统的基础上，将气温偏差值及偏差值的微分引入到模糊控制器中，根据预先设计的规则，如当导前汽温信号变化大时，控制系统应施加大的控制作用使控制量回到设定值等，对微分器的参数进行在线整定，以达到在不同的工作情况下，控制系统的参数达到最佳值。（3）应用神经网络的控制方案基于神经网络在线学习的自适应控制系统。将过热汽温设定值及其偏差引入神经网络控制器，对传统 PID 调节器进行在线补偿，以适应调节对象动态性的变化。除啦上面介绍的几种控制方案，专家和技术人员还提出了锅炉过热汽温的预测智能控制，基于遗传算法 PID 参数优化、神经网络模糊控制系统等方案，仿真研究表明，相比传统的控制，这些先进控制方法的控制效果都有了很大大提高。上述的控制方法各有特点，通过对各种扰动对过热汽温的深入了解，引入各种先进的控制策略和算法到传统的控制系统中，改善了传统 PID 控制系统的性能，或直接用先进控制代替传统的控制器，都将使得对热气温这个大迟延、非线性、干扰多的复杂被控制对象的控制品质有更大的提高。总之，随着先进控制的发展，在未来的日子里，对过热汽温的控制将有更多更好的控制方案。