（动力机械及工程专业论文）模糊单神经元自适应psd控制在汽温控制中的应用.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文以火电厂主蒸汽温度为控制对象， 首先研究了单神经元自 适应p i d控制策 略，然后引入了 p s d算法，增加了增益的自 调整，构成了单神经元无辨识自 适应 p s d控制算法。在神经元的权值调整上，本文提出了一种新型的学习规则，将其应 用到主蒸汽温度控制中，仿真结果验证了该新型控制策略的有效性。基于神经网络 和模糊控制，介绍了多种简单的融合方式， 设计了模糊单神经元无辨识自 适应p s d 控制系统， 仿真结果表明， 该控制策略比单神经元无辨识自 适应p s d控制策略控制 主蒸汽温度效果更好，具有较广阔的应用前景。 关键词:神经网络，单神经元，模糊控制， 仿真。主燕汽温度 abs t ract s u p e r h e a t e d s t e a m t e m p e r a t u r e i n t h e p o w e r p l a n t i s t h e c o n t r o l l e d m e m b e r i n t h e t h e s i s . f i r s t l y , t h e s t r u c t u r e o f n e u r o n a d a p t i v e c o n t r o l l e r i s r e s e a r c h e d . a n d t h e p s d a l g o r i t h m i s i n t r o d u c e d , a n d t h e g a i n s s e l f - a d j u s t m e n t i s a d d e d , t h e n t h e s e l f - a d a p t i v e , fr e e o f i d e n t i f i c a t i o n , s i n g l e n e u r o n p s d c o n t r o l a l g o r i t h m i s p r e s e n t e d . t h e a d j u s t i n g o f t h e w e i g h t c o e ff i c i e n t u s e d a n e w t y p e o f a d j u s t i n g o f w e i g h t c o e ffic i e n t . t h i s a l g o r i t h m i s a p p l i e d t o t h e c o n t r o l o f t h e s u p e r h e a t e d s t e a m t e m p e r a t u r e . t h e r e s u l t o f t h e s i m u l a t i o n s h o w s t h e v a l i d i t y o f t h i s a l g o r it h m ; b a s e d o n f u z z y c o n t r o l a n d n e u r a l n e t w o r k , t h e f u z z y - n e u r o n a d a p t i v e p s d c o n t r o l l e r i s p r e s e n t e d . m a n y k i n d s o f s i m p l e i n t e g r a t i o n w a y s h a v e b e e n p r o p o s e d , a n d t h e f u z z y n e u r o n a d a p t i v e p s d c o n t r o l s y s t e m i s d e s i g n e d . t h e s i m u l a t i o n h a s s h o w n t h i s a l g o r i t h m i s b e t r e r t h a n t h e s e l f - a d a p t i v e , fr e e o f i d e n t i f i c a t i o n , s i n g l e n e u r o n p s d c o n t r o l a l g o r i t h m i n t h e c o n t r o l o f s u p e r h e a t e d s t e a m t e m p e r a t u r e , a n d i t h a s w i d e r a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s . l i y a n ( p o w e r e n g in e e r i n g a n d e n g i n e e r i n g t h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e d b y p r o f . b i a n l i x i u ke y wor d s : n e u r a l n e t w o r k , s u p e r h e a t e d s t e a m s i n g l e n e u r o n , . f u z z y c o n t r o l , s i m u l i n k , t e mp e r a t u r e 侧旨 o口 沂明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 模糊单神经元自 适应 p s d控制在汽 温控制中的应用 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。 据本人所知，除了 文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中 不包含其他人已 经发表或撰写过的 研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学 位论文作者 签名:日 期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电 力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保管、 并向 有关部门 送交学位论文的原件与复印件; 学校可以 采用影印、 缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以学术交流为 目 的 ， 复制赠送和交换学位论文: 同意学校可以 用不同 方式在不同 媒体上发表、 传播学 位论文的全部或部分内容。 潜密的 学 位论 文在解密后 遵守 此规定 ) 作者签名: 日期: 导师签名: 日期: 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 . 1选题背景与意义 随着科学技术的不断进步，对工业过程控制的要求也逐渐提高，不仅要求控制 的精确性，而且还注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自 适应和 自 学习能力。另一方面，一些复杂的系统具有如下特点:缺乏精确的数学模型、分 布式的参数、庞大的数据和信息量及高标准的性能要求等。因此，建立在数学模型 上的控制方法 ( 经典的和现代的控制方法)对此显得无能为力，这给智能控制的发 展带来了良 好的机遇。智能控制是指人们应用人工智能的理论和技术及运筹学的优 化方法与控制理论的方法和技术相结合，在未知环境下，仿效人类的智能，实现对 系统的控制。智能控制无需对象的精确数学模型， 尤其擅长处理不精确性和不确定 性问题。目前，智能控制系统主要包括自 适应控制系统、模糊控制系统、神经网络 控制系统、自学习控制和专家控制系统等。 火电厂中从汽包出来的蒸汽，经过锅炉烟道中的过热器同高温烟气热交换，在 过热器出口所得到的蒸汽温度被称为主蒸汽温度，简称主汽温度.主蒸汽温度是火 电 厂生产运行中的一个重要监测和控制参数，其过高或过低都会显著影响机组的安 全性和经济性。其重要性在于: 1 . 主蒸汽温度过高，可能会导致过热器、主蒸汽管道和汽轮机高压缸等设备的金属 材料产生高温变形，影响使用寿命，还会使汽轮机的汽缸、汽门、前几级喷嘴和叶 片的机械强度降低，导致设备的损坏或使用年限缩短。 2 . 主蒸汽温度过低，会导致火电厂热效率降低 ( 主蒸汽温度每降低 5 c，热效率下 降1 % , ) 。同时， 汽温过低还会使汽轮机尾部的蒸汽湿度增大， 这不仅使汽轮机内 部热效率降低，还会造成汽轮机末级叶片的侵蚀加剧。此外，汽温过低，汽轮机所 受的轴向推力增大，危及汽轮机的安全运行。 3 . 主蒸汽温度变化过大，还会引起汽轮机转子和汽缸的胀差变化，甚至产生剧烈振 动，危及机组安全运行。 因此一般要求主蒸汽温度与其额定值的暂时偏差不超过士l o c， 长期偏差在士5 内.但是由于机组设计缺陷以及运行过程中存在的许多不确定因素，会使主燕汽 温度越限时常发生幻 ，所以除了 加强锅炉改造外， 还必须将主蒸汽温度越限情况有 效统计出来，为考核运行成绩和分析事故提供依据，当然最重要的是要积极寻求各 种性能良 好的控制策略，保证主蒸汽温度在允许范围内波动或主蒸汽温度越限时能 迅速恢复到允许范围。 华北电力大学硕士学位论文 主蒸汽温度控制的质量直接关系到机组的安全经济运行， 而且主汽温控制是锅 炉各项控制中较为困难的任务之一这主要因为:造成主汽温变化的因素很多， 例如锅炉负荷变化、 燃料、 送风工况变化、 锅炉给水温度的变化、 减温水量的变化、 火焰中心位置的变化、进入过热器的蒸汽焙值变化、流经过热器的烟气温度及流速 变化、锅炉受热面结垢等;对象在各种扰动下具有非线性、时变等特性，使控制 的难度增大:汽温对象具有大迟延、大惯性等特点，尤其随着机组容量和参数的 提高，主蒸汽温度的受热面比 例增大，使得迟延和惯性更大，进一步加大了控制的 难度。 由于过热器是在高温、高压环境下进行的， 过热器出口汽温是全厂工质温度的 最高点，也是金属壁温的最高处，工艺上允许的汽温变化范围又很小。面对其干扰 因素多，对象特性呈现非线性等诸多不利因素，使主汽温控制系统复杂化， 因此，设计一种能适应多种工况变化、具有较强鲁棒性的主汽温控制系统尤为 必要。而智能控制方法在处理不确定性因素和抗干扰方面具有突出的优点，故研究 基于智能控制理论的火电厂主汽温系统新型控制方法具有重要的意义。 1 . 2主汽温控制的研究现状 电厂动力装置是一个高度复杂、慢时变和不确定的多变量控制对象， 传统的鲁 棒性等性能始终在电厂过程控制中占首要地位。如何针对电厂热工特性进行合理有 效的控制， 是目 前控制的热点。 常规p i d在电厂热工控制中， 仍然占 据着主导地位。 对于常规的对象采用p i d控制， 通过整定p i d参数，一般可以获得良好的控制效果 并有很好的鲁棒性，但是对于主汽温这样大惯性、大迟延、具有时变性、现场存在 诸多干扰因素的被控对象，采用常规 p i d控制还存在许多问题。诸如:锅炉嫩 烧工况不稳定，烟气侧扰动频繁且扰动量较大，影响主蒸汽温度变化较大; 由于 工艺特性决定各级过热器管道较长，造成主汽温对其控制输入、喷水减温器的减温 水量变化反应较慢; 外部扰动变化频繁且扰动量较大， 致使主汽温长期不能稳定; 由于参数整定不当引起一、二级喷水量不匹配，使得喷水量内扰较大，造成主汽 温在外扰较小时仍偏离设定值较大。 为克服常规p i d的缺点，改善常规p i d的性能，人们已 经做了 许多工作【+ , s 一方面， 对自 整定p i d进行了 大量的研究， 产生了许多自 整定规则. 如闭环搜索法 和基于规则的整定法等直接自 整定方法，基于时域、频域或低阶离散时间模型的间 接自 整定方法等:另一方面，对p i d算法提出了许多改进，出现了非线性 p i d控 制、 选择性 p i d - p d控制、i - p d控制以 及自 适应 p i d控制等。另外，针对主蒸汽 温度这一个在热工自 动调节系统中属于可控性最差的调节系统o :，广大专家和学者 都给予了特别的关注，提出了大量新的控制策略，收到了不错的成效。这些主蒸汽 华北电力大学硕士学位论文 温度新型控制策略一般包括:基于模糊控制理论的各种控制策略，如东南大学陈 来九教授的课题组提出的主蒸汽温度的模糊p i d控制、 模糊自 校正控制、 模糊预测 控制策略9 - 12 1 、张晶涛等提出了 模糊控制与基于专家系统整定的串级p i d控制相结 合的 复合控制策略 13 1 、马 玲等提出了 主蒸 汽温度的f u z z y - p i 复合控制策略 141 基于神经网 络理论的各种控制策略，诸如陶文伟等提出的单 神经元控制及其与其他 控制 算法结合的控制器取代主蒸汽温度串 级p i d控制中主调节器的策略 1 6 - t7 l 、卢勇 等用神经网 络辨识主蒸汽温度模型进而提出 广义预测控制策略d o 、 程启明等提出了 采用模糊小波基函数神经网 络的控制系统及其混合优化算法 i9 ( s m i t h预估模型 及其改进型翻 胡;基于状态反馈的控制策略，诸如侯国莲针提出的基于现代控制 理论中 状态反馈控制原理的分级控制方法 周 、 韩忠旭等提出的状态反馈控制与串 级 p i d控制相结合的主蒸汽温度控制策略(z 4 1 、李阳春提出的基于最优控制理论的状态 反馈控制策略【s s l其它控制策略，诸如张建华等通过建立主蒸汽温度的分段模型 提出的多模型控制策略2 :、 刘禾等用预测智能 控制器作为串级控制的主调节器以 改 善主 汽温的迟延特性( n l 上述控制策略各有优劣， 但都为更多的自 动控制理论和方法进入主蒸汽温度控 制系统起到了抛砖引玉的作用。随着自 动控制理论特别是智能控制理论的进一步发 展，相信会有更多更好的主燕汽温度控制策略出现。 1 . 3神经控制的研究与进展 长期以来，自 动控制工作者一直面临一个极具挑战性的问题，就是由于被控对 象的不确定性、时变、非线性等引起的系统复杂性与对控制的高要求之间的矛盾。 自 适应控制方法是解决该问题的途径之一，但是基于数学模型的自适应控制理论和 方法在解决实际问题 ( 尤其是非线性对象)时遇到了无法克服的困难，如控制算法 的复杂性、对象模型的可辨识性等问题。人工神经网络研究的再度兴起给控制系统 设计带来了新的思路、新的方法. 神经网络具有的逼近任意连续有界非线性函数和自学习能力及其并行处理结 构方式，使得采用神经网络方法设计的控制系统将具有更快的速度 ( 实时性) 、更 强的适应能力和更强的鲁棒性，将极大的提高控制系统的信息处理能力、自 适应能 力和智能化水平。 从2 0 世纪6 0 年代开始， w i n d r o w和h o ff 就开始研究神经网络在控制中的 应用 了 . k i l m e r 和m c c u l l o c h 等人 根 据 脊 椎动 物网 状结 构 神经 系 统的 工作原 理， 提出 了k m b模型，并应用到 “ 阿波罗”登月计划中，使登月车在远距离负责环境中具 有较强的自制力。1 9 6 4 年，wi d r o w与 s m i t h 采用a d a l i n e 和 ma d a l i n e 网络结构及 w i d r o w - h o ff的最小均方误差( l ms ) 算法， 对小车一倒立摆系统的控制进行了研 华北电 力大学硕士学位论文 究。 e 7 。 大量研究工作受到人工神经网络研究的再度兴起而迅速发展. 进入 2 0世纪 9 0 年代以来， 不少学者对神经控制的研究工作进行了总结， 到目前为止， 神经网络 在控制系统设计中应用可以归结为系统建模与辨识、神经控制. 目 前具有代表性的神经控制方法有:直接逆控制、自 适应控制、神经网络内模 控制、神经网络预测控制。神经网络还可以 与其它控制方法相结合，设计出新的控 制系统，如变结构神经网络控制、鲁棒性神经网络控制、p i d神经混合控制、基于 神经网络的自 组织控制和基于遗传神经网络的机器人控制、基于神经网络的最优控 制等。近年来，一个研究趋势是开发和实现模糊逻辑与神经网络的集成， 提出了各 种模糊神经控制方法，用于系统建模与控制。 1 . 4 模糊神经控制的国内外研究现状 神经网络与模糊系统都是一种数值化的非线性模型函数估计器和动态系统，是 以一种不精确的方式来处理不精确的信息。它们在许多地方存在着共同之处: 1 . 它们均可从给定的系统输入输出信号 ( 数据)中建立系统的 ( 非线性)输入输出 关系， 神经网 络的映射能力早已 为许多 学 者所 证明. 近年来， k o s k o , w a n g 等人证 明了 模糊逻辑系统也能以任意精度逼近紧致集上的实连续函数。 2 . 它们均采用了并行处理的结构。当输入信号进入模糊系统时，所有的模糊规则将 依据条件部分的适应度决定是否被激发，进而决定系统的输出:对神经网络而言， 它本身的结构就是由并行结构的神经元构成的。 但是，神经网络与模糊系统也有着明显的不同之处，神经网络模仿人脑神经元 的功能，具有较强的自适应学习能力，可以直接从输入/ 输出数据中学习得到网络 模型结构。但由 于它采用的是典型的 “ 黑箱”型学习结构，当学习完成后， 难以 将 神经网络所获得的输入输出关系用易于为人们理解的方式表示出来，人们不能直观 地对其进行必要的修改，也不能加入对象的先验知识。而模糊逻辑系统则模仿人脑 的逻辑思维，搜长处理定性信息，能使人们的经验知识以规则的形式存在于模糊系 统中， 但它缺乏自 学习能力， 模糊规则和隶属函数的确定更多地依赖于专家的经验。 显然， 神经网络和模糊系统虽然在概念和内涵上有明显的不同， 但二者都能处 理实际中的不确定性、不精确性等引起的系统难以控制的问 题。由于各种结构上的 特点，它们在控制中也各有优缺点，而且还具有互补和等价的特性.神经网络适合 于处理非结构化信息，而模糊系统对处理结构化的知识更为 有效。因 此， 如何把神 经网络与模糊系统有机地结合起来，取长补短，以提高整个系统的学习能力和表达 能力，成为当前令人关注的前沿课题之一。 模糊神经网络是模糊系统与神经网络相结合的产物， 它汇聚了神经网络与模糊 系统的优点，集联想、识别、自 适应及模糊信息处理于一体。美国学者b .k o s k 。 在 4 华北电 力大学硕士学位论文 这方面进行了开创性的工作.他系统地研究和总结了神经网络和模糊系统的一般原 理与方法，对神经网络在模糊系统中的应用研究起了很大的推动作用。 近年来，模 糊系统与神经网络的交叉综合及其在控制理论中的应用成果层出不穷。目 前模糊神 经系统主要体现在以下三个方面: 1 . 基于神经网络的模糊控制器 模糊控制器设计的关键是模糊规则的获取，传统方法难以有效地获取规则和调 整隶属度函数，实现自 学习功能很困难。研究表明b p网络可表示模糊规则，模糊 规则通过神经网络的学习，以“ 权值”的形式体现出来，这样规则的生成和修正就 转化为权值的初始值确定和修改. w a n g提出了 一种由 模糊基函数来表示模糊规则 的方法，并证明了由此构成的模糊系统具有前向网络的结构和逼进任意非线性函数 的映射能力 a t e i x e i r a等人对具有神经隶属函 数、神经规则库的两种模糊系统分 别进行了研究 o h o r i k a w a 等人使用 r b f网络来表达基于规则的模糊知识，并构 成多变量的自 组织和自 学习模糊控制器洲 . 廖俊等提出了由模糊神经网络实现的自 适应模糊控制器川 ，并成功地应用于液压机器人的实时控制中。王耀南将遗传算法 与模糊神经网络结合起来，实现了 模糊规则的在线修改和隶属函数的自 动更新，使 模糊 系统具有自 学习和自 适应能力7 0 2 . 模糊神经网络 在构造模糊神经网络方面，美国的 we r b o s提出了一种融合模糊逻辑与神经网 络于一体的弹性模糊逻辑技术f 3 e k e l l e r 等人提出了 一种实现模糊逻辑推理的神经 网 络结构及三种变形l胡 ， 把规则知识直接编码在网 络的连接权中， 并研究了 这种结 构的理论特性，模糊神经网络可取代传统模糊控制器的模糊推理部分，实现自 适应 模糊控制，并构成模糊专家系统。e a r l c o x 把自 适应原理引入了模糊神经网络，设 计了自 适应模糊控制器，并在汽车速度控制中 得到应用， t . y a n m a g u c h i 等提出了 用 模糊联想记忆系统实现自 组织模糊控制的方法( 3 6 ) 3 . 用模糊规则增强的神经网络 在神经元网络学习算法中加入模糊逻辑是基于如下考虑:对网络的学习性能进 行分析得到的一些启发性知识，用这些知识动态地调整学习过程，提高学习速度。 a r a b s h i 给出了 层状感知器反向传播算法的模糊逻辑控制技术， 由包含了知识的模糊 控制系统来调节学习 速度 0 e c h o i 等研究了a r t 和b p 学习的参数控制d t j ， 以目 标 性能与实际性能特征之差作为模糊控制器的输入，输出即为控制的参数，此法适用 于自 组织映射等网 络结构。 t a g a k i 等提出了基于模糊逻辑结构的n a r n网 络g i， 与 一般的神经网络相比，其内部结构可以 观察到，它不再是一个黑箱，便于改善网络 性能。 文中把n a r n网络应用于录象机驱动机构的调整和字符识别， 在相同的网络 规模下，其精度比一般神经网络的要高。 华北电力大学硕士学位论文 1 . 5 本文的主要工作 本文的主要研究工作和成果包括如下几个方面: 1 . 把无辨识自 适应p s d算法引入单神经元自 适应p i d控制中， 增加了 增益的自 适应 算法， 构成了单神经元自 适应p s d算法。 在神经元加权系数的调整上， 本文融合了 h e b b 学习规则和动量项的改进s 算法， 提出了一种新型的学习规则。 将该算法应用 到主汽温控制对象中， 仿真结果表明， 与传统的h e b b 算法相比， 采用新型h e b b 算 法的控制系统响应较迅速，超调量较小， 调节时间短，控制效果较好。与串级 p i d 相比，采用新型h e b b 算法的n p s d控制系统的衰减率低，超调量小，调节时间短， 抗干扰能力和自 适应能力强，经济性好，因此n p s d控制系统的稳定性，准确性和 快速性都大大优于串级p i d ，具有更好的控制性能和良好的控制品质。 2 . 探讨了神经网络与模糊控制结合的方式与结构，提出了多种简单的融合方式作为 模糊单神经元自 适应 p s d控制系统设计的基础。针对电厂锅炉主汽温这一控制对 象， 将模糊控制与单神经元自 适应p s d控制算法结合组成主调节器， 比例调节作为 副调节器，组成串级控制系统，即f n p s d - p控制系统。用ma t l a b 工具进行仿真实 验，与采用新型h e b b 算法的n p s d - p 控制系统相比，f n p s d - p控制系统对过热汽 温的控制效果更好，有较高的实用价值。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 常规电厂主蒸汽温度控制策略 主蒸汽温度是火电厂生产运行中的一个重要监测和控制参数，其过高或过低都 会显著影响机组的安全性和经济性.影响主蒸汽温度变化的原因很多，而有些扰动 间又互相影响，使对象动态过程变得十分复杂。主汽温自 动调节的任务就是保持过 热器出口温度在允许范围内，并且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度。 常规的主汽温控制系统一般分为串级调节系统和采用导前微分信号的双回路系统. 2 . 1 主蒸汽温度特性 2 . 1 . 1 主蒸汽温度的静态特性 主蒸汽温度的静态特性是指主汽温随锅炉负荷变化的静态关系。对流式过热器 和辐射式过热器的主蒸汽温度的静态特性完全相反。 对于对流式过热器，当锅炉负荷增加时，将有较多的热量随着烟气离开炉膛， 被对流过热器等受热面所吸收，对流过热器中的烟速和烟温提高，过热器中工质的 始值随之增大。因此，对流式过热器的出口 汽温随锅炉负荷增加而升高，且当高温 过热器布置得远离炉膛出口时，汽温随着锅炉负荷的增加而升高的趋势更加明显。 而辐射式过热器，只吸收炉内的直接辐射热。随着锅炉负荷的增加，辐射式过 热器中工质的流量和锅炉的燃料耗量按比例增大，但炉内辐射的热并不按比例增 加，因为炉内火焰温度的升高不多。因此，随着锅炉负荷的增加，炉膛烟温升高所 增加的辐射热量小于蒸汽负荷增加所需要的吸热量，因此辐射式过热器的出口汽温 随负荷增加而降低。 可见，过热器的传热形式、结构、布置都会直接影响过热器的静态特性。现代 大容量锅炉的过热器系统在布置对流式过热器、辐射式过热器和屏式 ( 半辐射式) 过热器时一般都会采用交替串联布置的结构，这也是为了减小过热器平行管之间的 热偏差，以改善主汽温的静态特性. 2 . 1 . 2 主蒸汽温度的动态特性 主蒸汽温度的动态特性是指当引起主汽温变化的因素发生变化时，主汽温从一 个温度变化到另一个温度的变化过程。引起主蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流 量变化、燃料工况变化，进入过热器的蒸汽流量变化，流过过热器的烟气温度和流 速的 变化等16 6 1 .归结起来， 主汽温被控对象的扰动主要来自 三个方面: 蒸汽流量的 变化( 负荷变化) 、 加热烟气的热量变化和减温水流量变化( 过热器入口汽温变化) ， 如图2 -1 所示，即:蒸汽流量d ， 烟气热量q和减温水量w.当d , q , w做阶 华北电力大学硕士学位论文 跃扰动时，主蒸汽温度均呈现出有纯迟延、有惯性、有自 平衡能力的动态特性，只 不过纯迟延时间t 和惯性时间常数t不同而已，如图2 -2 所示。 汽包过热器过热器 图2 -1 主蒸汽温度系统 8 2 - 一卜 一 8 t 0 - 4 0n : t q 奋 0 z ，份 娜. 门. . 州 ， . . 口， l 0! i dio t。 r 告 。 六 t a t 图2 -2主蒸汽温度的动态特性 当d变化 ( 即负荷变化)时，将使整个过热器管路上各点的蒸汽流速几乎同时 改变， 进而改变过热器的对流换热系数，使过热器内各处的蒸汽温度也几乎同时变 化，因此d做阶跃扰动时，主蒸汽温度的 ( t o , t o )最小。 当q变化时，烟气流速和蒸汽温度的变化也是沿整个过热器几乎同时进行的， 只是q变化要通过过热器的管壁才能影响到主蒸汽温度， 因此q做阶跃扰动时， 主 蒸汽温度的 ( ? 。 、 t o )较小。 当w变化时， 将首先改 变过热器入口 的 蒸汽 温度b , ， 再逐步 通过漫长的 过热 器 管 道改 变出口 蒸 汽温度( 即主蒸 汽温 度b 2 ) ， 因 此w做阶 跃扰动时， 主蒸汽 温 度的 ( : ， 、t * )最大。 华北电力大学硕士学位论文 2 . 2 常规主蒸汽温度控制策略 控制主蒸汽温度的方法有两种:一是在蒸汽管道中设置喷水减温器，二是在烟 道中安装烟气挡板。前者通过改变蒸汽热量达到控制主蒸汽温度的目的，后者通过 改变烟气流量达到目的。虽然后者的调节动态特性比较理想，但是其具体实现很困 难，而前者调节动态特性虽然不如后者，但是其调节范围大、设备简单、能有效保 护过热器，所以 在火电厂中被普遍采用， 其示意图见图2 -1 0 采用喷水减温时，由于对象调节通道有较大的迟延和惯性，如果采用单回路反 馈系统，调节器必须缓慢地动作，才能保证系统具有必要的稳定性裕量，这样会增 加调节过程中被调量的动态偏差。但在实际运行中，对主汽温的控制要求较高，只 允许有较小的汽温控制偏差，所以有必要对单回路反馈调节系统进行改进。针对主 汽温被控对象通道惯性迟延大，被调量信号反饿慢的特点，可以从对象的调节通道 中找到一个比被调量提前反应扰动的中间点辅助信号作为调节器的补充反馈信号， 来有效地限制被调量的动态偏差，改善对象通道的动态特性。 目前在电厂采用的主汽温自 动调节系统主要有两种，串级调节系统和采用导前 汽温微分信号作为辅助信号的双回路调节系统。下面详细介绍这两种调节系统的方 案。 2 . 2 . 1 串级汽温调节系统 1 . 主汽温串级调节系统的组成 图2 - 3 所 示为 主汽温 的串 级 调节系 统， 其中y e i , y e ， 分别 为 温 度变 送 器斜 率， b , 为减温器后汽温，久为过热器出口 汽温，即主汽温度。 汽温调节对象由 喷水调节 阀、减温器和过热器组成，喷水调节阀的开度是调节通道的输入信号，过热器出口 汽 温b z 为 输出 信 号. 关于导前汽温的选取，如果导前汽温信号选取过于提前，则副回路改善动态特 性的作用就小了，而如果导前汽温信号很接近被调量过热器出口汽温，提前反应扰 动的作用就不大了，因此，选取导前汽温信号，既要使它能提前反应较多扰动，又 要使副回路能起到有效改善调节对象特性的作用.基于以上考虑，系统中采用减温 器出口 处汽温b , 作为辅助调 节信号 ( 称为导前汽温信号) 。显然，如果有某种扰动， 比 如 减 温水 流量的自 发 变化， 使 得汽 温b , 比 0 2 提 前反 应， 由 于 副调 节器的 提 前 动作， 就能十分有效的减少过热器出口 偏差. 整个汽温被控对象的动态特性主要由 两部分组成: ( 1 ) 以 喷水调节阀 开 度作为 输入信号， 减温器出口 温度只 作为输出 信号的 对象， 这 部分调节通道称为导前区，传递函数为g , ( s ) o 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 以 减 温器出 口 汽温b , 为 输 入 信号， 过 热 器出口 汽 温凡 为 输出 信号的 对象， 这 部 分 调 节 通道 称为 惯 性区， 传 递函 数为q( s ) ， 显 然导 前区g , ( s ) 的 迟 延与 惯 性要比 惯 性区g 2 ( s ) 的 迟延与 谭性小得多. 过热器减溢器 图2 一3串级主汽温控制系统 2 . 串级汽温调节系统分析 g . ( s ) 泽s2 + 鳖 sr + g22 (s) g(s) a g,(s) g2(s) b,2b o ypy 62 图2 -4 串级主汽温控制系统原理框图 串级汽温调节系统的方框图如图2 -4 所示，它有两个闭合的调节回路: ( 1 )由 对象 调 节 通 道的 导前区g , ( s ) ， 导 前 汽 温 变送 器y e l . 副 调节 器几( s ) 组 成的 副调节回路。 ( 2 )由 对象调 节 通道的 惰性区g 2 ( s ) ， 主汽 温变 送器y e z ，主 调节器g r2 ( s ) 以 及副 调节回路组成的主回路。 串级调节系统能改善调节品质，主要是由于有一个快速动作的副调节回路存 在。由 图2 - 4 可以 看出 ， 引 入b , 负 反 馈而 构 成的 副回 路起到了 稳定b ,( 或甲 ) 的 作 用， 从 而使主 汽温保持基本不变， 因 此可以 认为副 回路起着粗调主汽温b z 的 作 用. 而 主 汽 温的 规定 值， 主要由 主 调 节器g e z ( s ) 来 严格 保持， 只 要b z 不等 于规定 值， 主 调 节 器 就会 不断 改 变 其输出 信号b z ， 并 通 过 副 调 节 器去不断改 变 减温 水流量， 直到 华北电力大学硕士学位论文 s 2 恢复 到 等于规定 值. 可见， 主调 节器的 输出 信号s 2 相当 于 副调 节器的 可 变 给定 值. 稳 态时 ， 主汽 温等 于给定 值， 而 对导 前 汽温e , 则没 有 严 格的 要 求， 可以 在 一定 的 范 围内 变动。下面将详细论述，对于串级汽温调节系统，无论扰动发生在副调节回路 还是在主调节回路上，其调节品质都优于单回路调节系统。 ( 1 )扰动发生在副回路上，例如，当减温水流量w发生自 发性波动 ( 可能是减温 水压力改变)时，图2 -4 可等价变换为图2 -5 . 图2 - 5 扰动为 减 温水量巩时， 串 级系 统 等效 方框图 图2 - 5 中 : 磷( s ) 以 不为 输 入 ， b , 为 输 出 的 扰 动 传 递 函 数 : g w ( s ) = g , ( s ) 1 + g r , ( s ) q( s ) 瓶 ( 2 一1 ) g t ( s ) 以s z 为 输 入 ， 只 为 输出 的 系 统 内 回 路 传 递 函 数 : g i, ( s ) = g , ( s ) q( s ) 1 + 味， ( s ) q( s ) y q ( 2 一2 ) 可以看出， 对于单回路汽温调节系统， 如果没有副回路来迅速消除平的自 发性扰动， 则 辅 助被调量信号b , 与扰动w, , 的关系为: 8 , ( s ) = g , ( s ) w j ( s ) ( 2 一3 ) 有 了 副回 路的 调节 作 用后， 辅助 被调 量 信号b , 与 扰动w , 的 关 系 则 可表示为: 由 对象调节通道的惰性区g 2 ( s ) 、 主 汽 温变 送器r a t 和副回 路组成的主回 路. 对于这个调节系统的工作原理，有两种不同的分析方法: ( 1 )对于导前汽温微分信号可改善调节对象的动态特性。对于图2 -8 所示的调节 系统，当去掉导前汽温的微分信号时，系统就成为单回路调节系统，调节对象 ( g o ( s ) = g , ( s ) g 2 ( s ) ) 的 惯 性 和迟 延 较大。 当 系统 加 入导 前汽 温 微分 信号 后， 调 节器 将 同时接受两个输入信号， 系统构成了双回路结构。 为了与单回路调节系统进行比较， 可对采用导前微分信号的双回路系统进行等效变换，等效为一个改进的单回路系统 如图 2 -9所示。只是此时由于微分信号的引入改变了调节对象的动态特性。这个 新的等效调节对象的输入仍然是减温水流量信号 牙，但输出信号为 _d b , 认=伏 +一 d 9* r e p ， 等 效 调 节 对 象 的 传 递 函 数 可 以 根 据 方 框 图 求 得 : r a i g o (s)二 架= g ,(s)g z(s)+ 会 g n (s)l ( 2 - 9 ) 在 静 态 时 ， 微分 器 输出 为 零， 所以 等 效 调 节 对 象的 输出 可 = 0 2 。 在 动 态 过 程中 ， 等效 调 节 对 象的 输出 中 除了 主 汽 温 信号8 2 外， 还叠 加导 前 汽 温的 微分 信号d 8 , / d 8 e 由 于 b , 的 惯 性 要比 0 2 小 的 多 ， 因 而 等 效 对 象 的 输 出 可的 惯 性比 b 2 的 惯 性 小 得 多 。 因 此，加入导前汽温微分信号的作用可以理解为改变了调节对象的动态特性。所以， 在调节对象惯性较大的情况下，采用导前汽温微分信号的双回路调节系统的调节品 质比 单回路汽温调节系统要好的多。 华北电力大学硕士学位论文 图2 -9双回路系统的等效方框图 ( 2 )前面分析说明，对于惯性大的调节对象，采用串级调节系统能获得较好的调 节品质。导前汽温微分信号的双回路调节系统等价变换为串级调节系统如图 2 -1 0 所 示. 采用导前微分信号的 双回 路调节系统中 ， 微分器传 递函 数的 倒数1 / g d ( s ) 相当 于串 级调节系统中 主调节器的 传 递函 数g it2 ( s ) ， 而导前微分 信号系 统中的调节器传 递 函 数与 微分 器传 递函 数的 乘积g r ( s ) g d ( s ) 则 相当 于串 级调 节系 统中 副 调 节器的 传 递函 数g r , ( s ) o 毛俨超蜜w,6抨s r gd(9) + go (s) go (s) g, (s) s g2 (s)8,s r 6,1y, t 图2 -1 0 导前汽温微分信号的双回路系统等效于串级系统的方框图 采用导前汽温微分信号的双回路系统中，微分器和调节器的传递函数分别为: g d ( s ) = k d t d s 1 + t d s ( 2 - 1 0 ) g r (s ) 二 1 (1 + 1 ) d i s ( 2 - 1 1 ) 式中k d , t d 分别为 微分器的 微分 增益和微分时间. 此时， 等效主、 副调节器的 传递 函数分别为 ( 2 - 1 2 )式和 ( 2 - 1 3 )式: g r z ( s 卜 g d ( s ) 二 1 + 兀 s k , t d s 二 上(、 + 与 k d t d s ( 2 -1 2 ) g ; , ( s ) = g r ( s ) g d ( s ) = 匕t ,s . k d t d s = k d t d上t s a 不 s 1 + 几 s s 不 i + 乙 s ( 2 - 1 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 等效主调节器实质上就是一个p i 调节器。 等效副调节器为一个超前/ 滞后环节。 当乙 大 于不 时， ( 2 - 1 3 ) 式可以 转化为( 2 - 1 4 ) 式， 显然， 它具有比 例一 惯性的 特点， 其 动态特性表现出滞后的特点。 t , - 1 g r(s) = k , (1+ t )e 1+ t,s ( 2 - 1 4 ) 当不 大于兀时， ( 2 - 1 3 ) 式可以 表示为 ( 2 - 1 5 )式， 显然它具有比 例一 微分的 特点， 则其动态特性表现出超前的特点。 g r (s， 二 赞1 + ( 2 - 1 5 ) t , 等于t , 时， 则超前/ 滞后环节就变成了 一个比 例环节，比例系数为: g ; , (s ) 二 k , 0 ( 2 - 1 6 ) 下面 分析当 把双回 路系统等效为串 级调节系统时， 系统中 微分器参数k , . t , 和 调 节 器参 数s . t , 对调 节系统 性能的 影响: ( 1 ) 微分器参数k , , t , 相当于串级系统中主调节器的比 例带和积分时间.因此， 增大k , 将使主回路的稳定性提高， 但由 于主调节器的 动作变慢， 会使主汽温的 动态 偏差 增加。 增大t , 也就是增加了 主调 节器的 积分时间， 也 会使主调节器的 动作 速度 变慢， 从而 提高主回 路的 稳定性， 但也会增加主 汽温的 动态偏差， 另 外， t , 增大后， 主汽温的调节过程时间会显著增加。 ( 2 ) 对于等效副调节器，k , 不仅是主调 节器的主 要参数， 又是副调节器的主 要参 数. 当k , 增 大时， 虽 然提高了 主回 路的 稳定 性， 但由 于 增加了内 回 路的比 例 增益， 加快了内回路的动作速度，使内回路的稳定性明显下降。 所以，当由于主回路的原 因 需要 增加 或减小 微分增益k , 时， 为了 保持内回 路的稳定 性不 变， 必须要同时 调整 内 回 路 调 节 器的比 例带s ， 并使.5/k,的比 值 保 持不变。 2 . 2 . 3 两种汽温调节系统的比较8 上面讨论了两种典型的主蒸汽温度的自 动调节系统，当调节对象的滞后不是很 大而且非线性不是很严重时，它们在实际的应用中还能满足生产上的要求。这两种 调节系统在调节质量、系统构成、整定调试等方面各有特点。 ( 1 )当把导前汽温微分信号的双回路系统转化为串级系统时，其等效主调节器是 一个p i 调节器， 但对于实际的串级调节系统， 为了 提高调节系统的调节性能， 主调 节器中往往引入微分作用，即采用p i d调节器， 故串 级系统的调节质量比采用导前 华北电力大学硕士学位论文 微分信号的双回路系统要好。特别对于惯性较大的对象或在外扰频繁的情况下，双 回路系统的调节质量不如串级系统。 ( 2 )串级调节系统主、副两个调节回路的工作相对比较独立，因此系统投运时的 整定、调试直观方便。而有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. ( 3 )从仪表硬件结构上看，采用导前汽温微分信号的双回路系统较为简单。 在一般情况下，双回路汽温调节系统已能满足生产上的要求，若被控对象迟延 较大， 外扰频繁，而且要求较高的控制质量时，则最好采用串级汽温控制系统. 2 . 3 本章小结 本章介绍了主蒸汽温度的静态特性和动态特性，详细阐述了主汽温的常规控制 策略:串级汽温调节系统和采用导前微分信号的双回路汽温调节系统。分析比较了 两者的优缺点。 华北电力大学硕士学位论文 第三章 单神经元无辨识自适应控制算法的研究与仿真 大型火电厂中锅炉主蒸汽温度是提高电厂经济效益，保证机组安全运行的重要 参数.主蒸汽温度调节对象一般具有大滞后、大惯性、非线性的特点.由于常规的 p i d控制参数不易于在线自调整，应用受到限制，而采用自 适应控制算法，需要在 线辨识过程或控制器的参数，难以在线实时实现。 近年来，国内 外对人工神经网络及其应用的研究方兴未艾。人工神经网络模拟 人的形象思维过程，具有自 学习、自 组织、联想记忆、并行计算和非线性函数退近 等功能，在模式识别，图象处理方面取得了不少成果。但由于目 前尚缺乏相应的神 经网络计算机硬件的支持，利用串 行算法模拟神经网络并行机制来进行过程控制， 存在实时性差等问题。 受p i d控制的启发， 利用具有自学习和自 适应能力的单神经 元来构成单神经元自 适应智能控制器，不仅结构简单，且能适应环境变化，有很强 的督棒性6 9 m a r s i k 和s t r e j c 根据控制过程误差的几何特性建立性能指标， 提出了 无需辨识 的自 适应p s d ， 即比 例( p r o p o r t i o n a l ) 、 求和( s u m ) 和 微分( d i ff e r e n t i a l ) 的 控 制律，该算法计算工作量小、容易实现，为解决不确定、时变系统控制提供了一条 途径。 基于以上两种控制算法，为了实现对大滞后、非线性系统的良好控制，本文提 出了一种新型的单神经元无辨识自 适应p s d 控制算法。该算法以 三输入的单