遺傳算法在主蒸汽溫度控制系統中的應用畢業論文(已修改)

　

【正文】 洛陽理工學院畢業設計（論文）遺傳算法在主蒸汽溫度控制系統中的應用摘 要在電廠熱工生產過程中，主蒸汽溫度控制的任務是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許范圍之內。過熱汽溫被控對象是一個多容環節，它的純遲延時間和時間常數都比較大，干擾因素多，對象模型不能精確確定，中間測點不易取，由于其特有的復雜性，使得模型的獲取有一定的難度。PID調節是熱工系統最主要的控制策略，它直接影響機組的安全、經濟運行。遺傳算法作為一種智能優化算法，它是在解空間進行高效啟發式搜索，而非盲目地窮舉或完全隨機搜索，應用遺傳算法對主汽溫系統控制器參數進行優化，實驗表明，應用遺傳算法優化控制器參數的優越性。仿真結果表明，在主蒸汽溫度控制系統中，本文所設計的用改進的遺傳算法優化的PID控制器比常規的PID控制器有更好的控制效果。關鍵詞：遺傳算法；主汽溫控制；熱工系統；調節器參數；參數優化GENETIC ALGORITHM IN THE MAIN STEAM TEMPERATURE CONTROLABSTRACT In the process of thermodynamic engineering in power plant,the main task in main steam temperature control is to control the superheated steam temperature to some required range. The superheated steam temperature object is a multicontainer deadline time and time constant is relatively big. It has many disturbances,Its object model is not accurately is not easy to measure steam temperature in the superheated implement. due to its unique plexity, making the model to obtain a certain degree of difficulty. PID regulation is the most important thermal system control strategy, which directly affect the unit39。s safety, economic operation. Adaptive genetic algorithm as an intelligent optimization algorithm, which is the efficient heuristic solution space, rather than blindly exhaustive or pletely 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 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　錄前　言 1第1章 主汽溫調節系統的控制方案 1 傳統主汽溫調節系統 1 主汽溫串級調節系統 1 采用導前汽溫微分信號的雙回路汽溫調節系統 2 先進的主汽溫控制策略 3第2章 遺傳算法的基礎知識 5 遺傳算法的概念 5 遺傳算法的生物學原理 5 遺傳算法的發展 5 遺傳算法的特點 6 遺傳算法的工作原理 7 遺傳算法的基本操作 8 遺傳算法的數學基礎 9 模式的階和模式的定義距 9 模式定理 9 積木塊假設 10 基本遺傳算法(SGA)的組成 10 編碼 11 適應度函數 12 遺傳算子 12 遺傳算法的運行參數 14 遺傳算法的收斂性 14 用步驟遺傳算法的應 15 基本遺傳算法的不足 15第3章 改進的遺傳算法優化PID控制器 17 PID控制器的結構 17 改進遺傳算法 17 參數編碼 17 初始群體的產生 18 確定交叉概率和變異概率 19 遺傳算子的改進 19 仿真結果分析 20結　論 23謝 辭 24參考文獻 25附　錄 27外文資料翻譯 3622前　言近二十年來，火電廠鍋爐機組越來越向大容量、高參數、高效率的方向發展，對機組熱工自動控制系統控制品質的要求也隨之提高。主蒸汽溫度是一個很重要的控制參數，它控制的任務是維持過熱器出口蒸汽溫度允許的范圍之內，并保護過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。目前，在火電廠中，各種類型的PID控制器因其結構簡單、參數的物理意義明確、易于調整并且具有一定的魯棒性，在理論上有成熟的穩定性設計和參數整定方法，同時在工程應用中積累了豐富的經驗。而在熱工系統中單純形法，專家整定法應用較廣。雖然這些方法都具有良好的尋優特性，但是卻存在一些弊端，單純形法對初值比較敏感，容易陷入局部最優化解，造成尋優失敗。專家整定法則需要太多的經驗，不同的目標函數對應不同的經驗，而整理知識庫則是一項長時間的工程。因此我們選取了遺傳算法來進行參數尋優，該方法是一種不需要任何初始信息并可以尋求全局最優解的、高效的優化組合方法。遺傳算法(Genetic algorithms簡稱GA)進行路徑規劃，所謂遺傳算法就是以自然遺傳機制和自然選擇等生物進化理論為基礎，構造的一類全局優化概率搜索算法。利用選擇、交叉和變異編制控制機構的計算程序，在某種程度上對生物進化過程作數學方式的模擬，它包含了自然選擇和進化的思想,具有很強魯棒性，它是一種多點搜索算法，也是目前機器人路徑規劃研究中應用較多的一種方法。遺傳算法被提出之后立即受到了各國學者的廣泛關注，有關遺傳算法的研究成果不斷涌現。遺傳算法被提出之后立即受到了各國學者的廣泛關注，有關遺傳算法的研究成果不斷涌現。1968 年Holland 提出了著名的模式(schema)定理奠定了遺傳算法的理論基礎；1975 年De Jong 首先嘗試將遺傳算法用于函數優化，提出了5 個測試函數用以測試遺傳算法的優化性能；1981 年Bethke 應用Walsh 函數分析模式；1983 年Wetzel 用遺傳算法解決了NP 難題，即旅行商問題(TSP)；1985年Schaffer 利用多種群遺傳算法研究解決了多目標優化問題；1987 年Goldberg 等人提出了借助共享函數的小生境遺傳算法。1989 年，Goldberg 出版專著《Genetic Algorithm in Search,Optimization, and Machine learning》對遺傳算法的研究有非常大的影響。1992 年，Michalewicz 出版另一部具有極大影響力的著作《Genetic Algorithm + Data Structure =volutionary Programming》。我國的遺傳算法的研究，從20世紀90年代以來一直處于不斷上升的時期，特別是近年來，遺傳算法的應用在許多領域取得了令人矚目的成果。國內二級以上學術刊物有關遺傳算法的文章不斷增加。國內很多專家、學者等在這方面作了大量研究，并取得了很多成果。國內以武漢大學軟件工程國家重點實驗室為領先，在他們的并行計算研究室內，進化計算（他們稱之為“演化計算”）成為一個重要的研究方向，目前已經出版了專著，并有許多碩士、博士研究生圍繞進化計算選題。另外，中國科學技術大學的陳國良教授等出版了遺傳算法的著作。西安交通大學以進化計算為主題的研究工作也逐漸活躍起來，同時國內相關書籍也越來越多，如武漢大學劉勇、康力山等與1995年出版的《非數值并行計算遺傳算法》；周明、孫樹棟等于1996年出版的《遺傳算法原理及應用》；2002年王小平、曹立明編寫的《遺傳算法理論、應用與軟件實現》等等。遺傳算法作為一種全局優化算法，得到了越來越廣的應用。近年來，遺傳算法在控制上的應用日益增多。第1章 主汽溫調節系統的控制方案 傳統主汽溫調節系統主蒸汽溫度是一個很重要的控制參數，它在控制的任務是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍之內，并保護過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。 主汽溫串級調節系統目前，電廠采用噴水減溫來調節過熱汽溫系統的延遲和慣性大，為了改善系統的動態特性，根據調節系統的設計原則，引入中間點信號作為調節器的補充信號，以便快速反映影響過熱汽溫變化的擾動，而最能反映減溫水變化的是減溫器出口的溫度，因此入該點作為輔助被調量，組成了串級調速系統。 圖1 1主汽溫串級調節系統圖11為主汽溫串級調節系統，圖中Gh1和Gh2分別為溫度變送器。為減溫器后汽溫，為過熱器出口汽溫。汽溫調節對象由減溫器和過熱器組成，減溫水流量為對象調節通道的輸入信號，過熱器出口汽溫為輸出信號。為了改善調節品質，系統中采用減溫器出口處汽溫作為輔助調節信號(稱為導前汽溫信號)。當調節機構動作(噴水量變化)后，導前汽溫信號的反應顯然要比過熱器出口的汽溫快很多。圖12主汽溫串級調節系統的方框圖串級調節系統的主調節器出口的信號不是直接控制減溫器的調節閥，而使作為副調節器的可變給定值，與減溫器出口汽溫比較，通過副調節器去控制執行器動作，以調節減溫水量，保證過熱汽溫基本保持不變。圖12為串級調節系統的方框圖。從圖12的方框圖可以看出，串級調節系統有兩個閉合的調節回路：①由對象調節通道的導前區、導前汽溫變送器、副調節器組成的副調節回路；②由對象調節通道的惰性區、過熱汽溫變送器、主調節器以及副調節回路組成的主回路。串級調節系統之所以能改善系統的調節品質，主要是由于有一個快速動作的副調節回路存在。為了保證快速性，副調節回路的調節器采用比例(P)或比例微分(PD)調節器，使過熱汽溫基本保持不變，起到了粗調的作用；為了保證調節的準確性，主調節回路的調節器采用比例積分(PI)或比例積分微分(PID)調節器，使過熱汽溫與設定值相等，起到了細調的作用。對于串級汽溫調節系統，無論擾動發生在副調節回路還是發生在主調節回路，都能迅速的做出反應，快速消除過熱汽溫的變化。 采用導前汽溫微分信號的雙回路汽溫調節系統圖13所示即為采用導前汽溫微分信號的汽溫調節系統。這個系統引入了導前汽溫的微分信號作為調節器的補充信號，以改善調節質量。因為和的變化趨勢是一致的，且比的反應快很多，因此它能迅速地反映的變化趨勢。引入了的微分信號后，將有助于調節器動作的快速性。在動態時，調節器將根據和與給定值之間的差值而動作；在靜態時，信號為零，過熱汽溫必然等于給定值。其中目前電廠普遍采用上述兩種主汽溫調節系統，它們各有特點，比較如下：（1）如果把采用導前汽溫微分信號的雙回路系統轉化為串級系統來看待，其等效主、副調節器均是比例積分調節器，但對于實際的串級調節系統，為了提高副回路的快速跟蹤性能，副調節器應該采用比例或比例微分調節器，而主調節器則應采用比例積分微分調節器。因此，采用導前汽溫微分信號的雙回路系統的副回路，其快速跟蹤和消除干擾的性能不如串級系統；在主回路中，串級系統的主調節器具有微分作用，故調節質量比采用導前汽溫微分信號的雙回路系統好。特別對于慣性遲延較大的對象或外擾頻繁的情況下，采用導前汽溫微分信號的雙回路系統調節品質不如串級系統。（2）串級調節系統主、副兩個調節回路的工作相對比較獨立，因此系統投運時整定、調試直觀方便。而采用導前汽溫微分信號的雙回路調節系統的兩個回路在參數調整時相互影響、不易掌握。通過上面的比較可以知道，串級控制系統對于過熱汽溫控制系統的控制效果好于導前汽溫微分信號控制系統。圖1 3采用導前汽溫微分信號的汽溫調節系統 先進的主汽溫控制策略針對主汽溫這個在熱工自動調節系統中屬于可控性最差的調節系統（擾動因素多，滯后大），廣大專家和學者給予了特別的關注，結合先進控制原理提出了很多新的控制方案，下面簡要介紹三種：（1）自適應度控制器調節控制參數的控制方案過熱自適應PID控制系統，其原理是將系統輸出的微分和偏差引入到自適應控制器內，通過預先設計的規則，調整PID參數，以適應不同工作情況下的控制要求。它的基本控制系統是串級控制，自適應控制器用來調整主調節器的參數。（2）應用模糊理論的控制方案模糊自適應導前微積分控制系統。該控制系統的原理是在采用導前微分信號的汽溫調節系統的基礎上，將氣溫偏差值及偏差值的微分引入到模糊控制器中，根據預先設計的規則，如當導前汽溫信號變化大時，控制系統應施加大的控制作用使控制量回到設定值等，對微分器的參數進行在線整定，以達到在不同的工作情況下，控制系統的參數達到最佳值。（3）應用神經網絡的控制方案基于神經網絡在線學習的自適應控制系統。將過熱汽溫設定值及其偏差引入神經網絡控制器，對傳統PID調節器進行在線補償，以適應調節對象動態性的變化。除啦上面