（控制理论与控制工程专业论文）基于神经网络预测的模糊控制的研究与应用.pdf

昆明理工大学2 0 0 1 级硕士研究生学位论文 摘要 摘要 随着科学技术的不断进步，人类需要控制的对象和过程日益复杂， 但对控制质量的要求却不断提高，智能控制为这一问题的解决提供了一 条有效途径。模糊逻辑和神经网络是实现智能控制的基本方法，模糊控 制不需要建立被控对象的精确数学模型，而且可以有效克服系统存在滞 后所造成的影响；神经网络具有自学习，自适应，并行处理的能力。本 文对有关模糊控制和人工神经网络方面的基本理论作了介绍，并把二者 结合起来，提出了一种基于神经网络预测的模糊控制方案。并对其在锅 炉汽包水位的应用进行了研究设计和仿真。 本文最后部分介绍了用m a t l a b 模糊逻辑工具箱进行模糊控制器的设 计方法，以及利用函数将已设计好的人工神经网络对象转换成相应的 s i m u li n k 形式，同时给出了用m a t l a b 的s i m u l i n k 进行仿真的结果，证 实了该方法在理论上的有效性与可行性。 本文将自动控制理论和火电厂热工自动化的具体对象相结合，对工 业过程中普遍存在的大滞后系统提供了一种解决思想，有一定的工程应 用参考价值。 关键词：模糊控制神经网络预测汽包水位智能控制仿真 昆明理1 _ 大学2 0 0 1 级硕十研究生学位论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h e i m p r o v e m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h e o b j e c t sa n d pr o c e s s e st h a tp e o p l ew a n tt oc o n t r o lb e c o m em o r ea n dm or ec o m p l e x ，b u t t h ea i m sf o rc o n t r o la r eh i g h e ra n dh i g h er i n t e l l i g e n tc o n tr o lp r o v i d e sa e f f e c t i v ew a yf ors o l v i n gt h ep r o b l e m f u z z yl o g i ca n dn e ur a ln e t w o r ka r e t h ei m p o r t a n tm e a n so fi n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 f u z z y l o g i cc o n t r o ld o e sn o t n e e dt os e tu pt h ee x a c tm a t hm o d e l ，a n di t can e f f e c t i v e l ys o l v et h e p r o b l e mo ft i m e - d e l a ys y s t e m s t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m et h e o r i e sa b o u t f u z z yl o g i ca n dn e u r a ln e t w o r k sc o n t r o la n dt h e ira d v a n t a g e s t h et h e s i s br i n g su paf u z z yl o g i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do nn e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i o n c o m b i n i n gb o t ht w ot h e or i e s r e s e a r c h e sa n ds i m u l a t i o n sa r ea l s oa p p l i e d o nt h ew a t e rl e v e lc o n t r o l0 fb 0 订e r t h el a s tp a r to f t h i sp a p e ri n t r o d u c e saw a yt od e s i g naf u z z yl o g i c c o n t r o l l e rb a s e do nt h em a t l a b sf u z z yl o g i ct o o l b o x ，a n dt r a n s f o r m a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s d e s i g n e d i n t of o r m o f s i m u l i n k c o r f e s p o n d i n g l yb yu s i n gf u n c t i o n so fm a t l a b t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t so ft h i sc o n t r o ls y s t e mi l l u s t r a t et h ea v a i l a b i l i t ya n df e a s i b i l i t y o ft h i sm e a n si nt h e o r y w i t ht h ec o m b i n a t i o no fa u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r ya n dp r a c t i c a lt h e r m a l p r o c e s sa u t o m a t i o no b j e c ti nt h ep o w e rs t a t i o n ，t h i sp a p e rp r o v i d e sa ni d e a s o l v i n gt h ep r o b l e m so fg e n e r a ll a r g e t i m e - - d e l a ys y s t e m si nt h ei n d u s t r i a l p r o c e s s a n d t h i sm e a n sh a s g r e a t r e f e r e n c ev a l u ei n e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：f u z z yc o n t r o l n e u r a ln e t w o r k sp r e d i c t i o n w a t erl e v e l i n t e l l i g e n tc o n t r o l s i m u l a t i o n 1 l 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或我个 人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本 声明的法律结果由本人承担。， 学位论文作者签名： 日 期： 枋身详 2 0 0 4 年2 月；口日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：塑丝论文作者签名：塑查型 昆明理工大学2 0 0 1 级硕t 研究生学位论立 第一章绪论 第一章绪论 1 1 自动控制理论的发展与趋势 何谓控制? 根据词典解释，控制是掌握或操纵任意活动不使其越出 限定范围的行为；根据系统论，控制是为了改善系统性能或达到系统的 目的，通过信息采集和加工而形成的施加在系统上的作用3 。按有否人工 参与，可以将其分为人工控制和自动控制，现在所说的控制通常是指自 动控制。 关于自动控制的定义，有很多说法”“1 ，实质都差不多。本文认为， 自动控制是指应用自动化仪表或自动控制装置代替或部分代替人的直接 参与，自动地使运行设备或工业生产过程达到预期的状态或性能指标的 一切技术手段。 理论来之于实践，反过来又指导实践。自动控制理论的发展无疑也 遵循着这个真理。早在自动控制理论形成之前，人类就开始孜孜不倦地 尝试制造各式各样的自动控制装置，据考证中国东汉时期建造的指南车 是世界上最早的“控制论”机械，到了近代，蒸汽机的飞轮调速器、鱼 雷的航向控制系统、航海罗径的稳定器、放大电路的镇定器邙1 等自动控制 装置也相继出现，但由于缺乏理论指导，失败的次数远远高于成功的范 例。 直到2 0 世纪2 0 4 0 年代，h a r r is ( 引入传递函数的概念) 、e v a n s ( 提出根轨迹法) 等人的杰出贡献，才为经典控制理论的形成奠定了 基础，并于5 0 年代趋于成熟，以钱学森1 9 5 4 年发表的全面总结了经典 控制理论的工程控制论为标志。经典控制理论的产生反过来也促进 了第二次世界大战中武器、通信自动化系统的研制以及战后许多实际控 制工程的实施，并为人类征服宇宙做出了应有贡献。经典控制理论主要 研究单输入单输出系统的特性分析与控制器设计，可是工程实际和科学 技术问题中大量存在的是多输入多输出系统，此时用经典控制理论就无 能为力了。 随着2 0 世纪4 0 年代中期计算机的出现及其应用领域的不断扩展， 促进了自动控制理论朝着更为复杂也更为严密的方向发展”，特别状态空 间方法的应用“1 、极大值理论的出现1 、动态规划方法的创立“、卡尔 1 昆明理工大学2 0 0 1 级硕士研究生学位论文第一章绪论 曼滤波器技术以及控制系统可控性、可观测性概念的提出“，标志着现 代控制理论的形成。在19 6 0 年第一届全美联合自动控制会议上，正式将 研究单变量控制问题的学科命名为经典控制理论将研究多变量控制问 题的学科命名为现代控制理论，从此这两个名称一直沿用至今。现代控 制理论从理论上解决了多输入多输出系统的可控性、可观测性、稳定性 的分析以及控制器的设计。 但是，随着现代科学技术的迅速发展和重大进步，生产的规模越来 越大，使得控制对象日益复杂化，而且人们对控制系统的性能指标诸如 控制精度等要求也越来越高，自动控制理论正面临新的发展机遇和严竣 挑战。传统的经典控制理论和现代控制理论在应用中遇到不少难题，其 主要原因是：这些控制理论都是针对系统精确的数学模型进行研究的， 而与普遍带有复杂性、不确定性、不完全性、模糊性、时变性、非线性 等的实际系统有一定差距：这些控制理论研究系统时必须提出一些比 较苛刻的假设，而这往往与实际不符；对于某些复杂的和包含不确定 性的控制过程，根本无法用传统数学模型来表示，即无法解决建模问题； 这些控制理论为了提高控制性能指标所设计出的控制系统往往很复 杂，既增加设备投资，又降低系统的可靠性。 因而，自动控制必须寻找新的突破口。与此同时，计算机、运筹学、 信息论、系统论等学科的发展“1 ，促进了人工智能学科的形成，并在实 际应用中显示出很强的生命力。于是人们开始认识到是否可以改变一下 思路，不要完全以控制对象为研究主体，而是以控制器为研究主体呢? 能否借用人工智能的逻辑推理、启发式知识、专家系统等来解决难以建 立精确数学模型的控制问题昵? 而体现这一思想的智能控制理论( 第三 代控制理论) 也就顺理成章地被提出来了。 19 5 6 年在美国d a r t m o u t h 学院举行的关于用计算机模拟人脑某些智 能的学术会议上，m c c a r t h y 率先提出建立名为人工智能的计算机科学新 分支，用以显示人类行为中与智能有关的一些特征。l9 6 5 年美国普渡大 学电气工程系的美籍华人傅京孙( k s f u ) 教授首次把人工智能领域的 启发式规则用于学习系统，1 9 6 6 年j m m e n d e l 又将人工智能技术成功用 于飞船控制系统的设计”，从此引发了自动控制理论从现代控制理论到 智能控制理论阶段的转变。而智能控制的概念是在1 9 7 1 年由傅京孙教授 币式提出来的。之后经g n s a r id is 等人坚持不懈的工作，终于i e e e1 9 8 5 昆i 则理工大学2 0 0 1 级硕士研究生学位论文第一章绪论 年在纽约召开了第一届智能控制学术会议，集中讨论智能控制的原理和 系统结构等一系列问题，标志着智能控制理论的f 式形成。当前智能控 制一词并未形成一个确切的定义，有人说智能控制是一类无需人的商接 干预就能独立地驱动智能机器实现其目标的自动控制，也有人说智能控 制系统是分不清完成控制任务的是人还是机器的控制系统。i e e e 控制协 会将其总结为：智能控制必须具有模拟人类学习和自适应的能力。所以 智能控制理论是人工智能和自动控制交叉的产物，是现代控制理论的进 一步发展，是当今自动控制科学的出路之一。 经典控制理论、现代控制理论、智能控制理论作为自动控制理论发 展的三个不同阶段，它们各自的出现都有其深刻的历史原因。这并不意 味着智能控制理论否定和完全取代现代控制理论，或者现代控制理论淘 汰经典控制理论。三者之间的关系是共同发展，互相渗透，相互结合“。 比如经典p i d 控制仍在过程控制中大量使用，融入智能控制理论出现了 智能p i d 控制方法、智能辩识方法、智能最优控制等。 1 1 1 经典控制理论 经典控制理论主要以传递函数为数学工具，采用频域法，基于系统 的精确数学模型来研究线性定常单输入单输出( s i s o ) 系统的特性分析 和控制器设计问题。其基本内容包括： 1 ) 频率法 频率法是利用频率响应特性分析控制系统的方法。 2 ) 根轨迹法 根轨迹法是根据系统开环传递函数的零点和极点研究系统瞬态响应 的一种实用方法。 3 ) p i d 控制 p i d 控制是比例p 、积分工、微分d 控制的简称。p i d 控制结构简单、 算法易懂、使用方便、适应性广、鲁棒性强，应用广泛。p i d 控制回路仍 占世界工业控制回路总数的8 0 9 6 9 0 3 。 自z ie 9 1e r 和n ic h o ls 在1 9 4 2 年提出p i d 参数的临界比例度整定方 法以来几十年，国内外已产生了一系列整定p i d 控制器参数的方法。今 后p i d 控制的发展趋势是：对于单变量系统，进一步研究存在建模动 态误差或较大干扰情况下的p i d 参数整定方法；对于多变量系统，迸 3 昆咧理工大学2 0 0 1 缀硕士研究生学位论文 第一章绪论 一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所需先验信息量，使其易于在 线整定；更深入研究诸如模糊p i d 、神经网络p i d 等智能p i d 控制技术。 4 ) s m i t h 预估控制 s m ith 预估控制是出s m ith 于1 9 5 8 年提出来的一种有效克服系统大 滞后、大惯性的控制方法，其性能优于常规p id 控制。但它的缺点是依 赖于精确的对象数学模型，抗内、外干扰能力差等。 5 ) 串级控制系统 串级控制系统是在单回路反馈控制系统的( 主回路) 基础上再增加 一个导前信号和一个闭合回路( 副回路) 所形成的控制系统，它显著改 善了原单回路反馈控制系统的调节性能，能有效缩短克服扰动的调节时 间，在工业生产中参数整定比较困难。 6 ) 非线性系统分析方法 非线性系统分析方法主要有三种：描述函数分析法是线性系统中 的频率法在非线性系统中的推广应用，是在没有外来输入作用的前提下 分析非线性系统稳定性的一种线性近似方法；相平面分析法是根据系 统相轨迹的特点研究系统动态特性的方法；谐波平衡分析法是将非线 性系统拆分为线性与非线性两部分，并用线性部分的频率特性和非线性 部分的描述函数之间的关系来共同分析非线性系统稳定性的方法。 经典控制理论成熟完善，特点突出，简单易用，解决了许多实际控 制问题，无论过去、现在、未来，它仍将在工业过程控制中发挥着重要 的作用。同时经典控制理论局限性也十分明显：仅限于单变量系统； 控制系统设计的好坏很大程度上依赖于设计者的经验；设计不考虑初 始条件不利于计算机分析和控制；传递函数属于系统的外部描述，不 能充分反映系统内部的状态。 但现代控制理论和智能控制理论的发展，必将为经典控制理论注入 新的生机和活力。 1 1 2 现代控制理论 现代控制理论主要以状态空间方法( 线性代数) 为数学工具，采用 时域法，基于系统数学模型研究系统状态的运动规律，并按所要求的各 种性能指标最优为目标来设计控制器，来改变这种运动规律。现代控制 理论在深度和广度上不断发展，很难界定其所涉及的范围，一般而言， 4 昆i 蜓理工人学2 0 0 1 级顿士研究生学位论史 第一章绪论 现代控制理论包括以下基本内容： 1 ) 线性系统理论 线性系统理论主要由状态空间方法、可控可观测性、稳定性、状态 反馈及状态观测器四部分组成。 2 ) 最优控制 最优控制是一门研究和解决从所有可能的控制方案中寻找最优解的 学科，是现代控制理论的重要组成部分，其所要解决的问题是：根据控 制系统的动态特性，从所有可供选择的容许控制中，寻求一个最优解， 使控制系统按技术要求运行，让系统从初始状态转移到期望的终态，同 时使性能指标达到最优( 极值) 。最优控制分析和设计的三大基本方法足 变分法、极大值原理和动态规划。 随着神经网络、模糊集合、遗传算法等智能控制理论和计算机技术 的发展，最优控制在控制原理和参数优化方面都出现了新的方法，如汪 朝军等捧1 提出了一种改进的高效率速传算法。目前困扰最优控制理论应用 于实际生产的主要问题是优化算法的鲁棒性问题和实用性问题。 3 ) 最优估计 最优估计是研究随机系统如何消除输入干扰和观测干扰( 或称输入 噪声和观测噪声) ，利用系统输出来求取或估计系统状态变量或系统参数 的方法。 4 ) 动态系统辨识 动态系统辨识是研究“根据系统的输入和输出，在指定的一类系统 中确定一个与被辨识系统等阶的系统”的问题“3 ，即用实验方法从系 统输入输出建立系统的数学模型( 建模) 的一门科学。 5 ) 自适应控制 自适应控制是一门研究在对象和扰动的数学模型不完全确定的条件 下，通过各种在线系统辨识方法，随时调整控制律，使得期望的性能指 标尽可能地接近和保持最优的学科。目前自适应控制理论研究主要集中 在稳定性、收敛性和鲁棒性三个方面。 6 ) 预测控制 预测控制是近年来迅速发展起来的类新型计算机控制算法的统 称。其中模型算法控制( m a c ) 、动态矩阵控制( d m c ) 、广义预测控制( g p c ) 是最有影响的三种预测控制算法“”。 s 昆明理工大学2 0 0 1 级硕士研究生学位论文第一章绪论 7 ) 鲁棒控制 鲁棒控制是使控制系统保持良好鲁棒性的控制，其中鲁棒性是指控 制系统在其特性或参数发生摄动时仍具有较好性能指标的属性。目前由 加拿大的z a m es 等人首次提出的h 。鲁棒控制“”仍然是控制界研究的热门 课题，其理论仍在不断完善。 8 ) 非线性控制 非线性控制是指针对非线性系统的控制。现代控制理论的发展，为 经典非线性控制注入了新的方法，最著名的是基于稳定性理论的李雅普 诺夫( l y a p u n o v ) 第二方法，此外圆盘判据、h 。鲁棒控制、变结构控制等 也被先后引入非线性控制。 综上所述，现代控制理论的范围非常宽阔，在此并不能一一列举。 与经典控制理论对比，现代控制理论有如下优点：可以解决多输入多 输出( m i m o ) 控制系统的分析和设计问题：引入状态变量和状态方程描 述系统，更能反映出系统的内在本质与特性；各种控制算法能方便地 通过多种编程语言在计算机上完成，从而实现系统的计算机实时控制； 基于状态空间方程，利用李雅普诺夫方法分析非线性系统的稳定性比 较有效。 由于现代控制理论或多或少还是依赖于控制对象的数学模型，而一 般很难获得实际系统的精确数学模型，因此单靠现代控制理论还远远不 能很好地解决实际控制问题，基于稳定性、收敛性和鲁棒性问题，现代 控制理论的内容将向广度、深度两个方向并行拓展，其各个分支理论相 互之间以及和经典控制理论、智能控制理论之间也将息息相关、相辅相 成、共同发展。 1 1 3 智能控制理论 智能控制理论主要以数值计算、逻辑运算、符号推理等为工具，模 拟人类学习和控制的能力，对难以建立精确数学模型的复杂系统进行控 制研究。下面重点介绍智能控制理论中颇有影响的模糊控制、神经网络 控制和遗传算法，对于其它智能控制理论作简略说明。 1 ) 模糊控制 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 是一种以模糊集合论、模糊语言变量和模 糊逻辑推理为基础来模拟人类模糊推理和决策过程的计算机数字控制技 6 昆明理_ = i _ = 大学2 0 0 1 级硕士研究生学位论文第一章绪论 术。1 9 6 5 年出生于前苏联阿塞拜疆的美国学者l a z a d e h 首创了模糊集 合论，1 97 3 年z a d e h 又给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理， 19 74 年印度裔的英国专家e h m a m d a n i 首先成功地将模糊理论应用于锅 炉和蒸汽机的控制”。1 ，这开拓性的工作标志着模糊控制理论的正式诞 生。模糊控制的发展最初在习惯于“y e s ，n o ”二值逻辑思维的西方遇 到了较大的阻力，直到近十多年才引起足够的重视，然而在擅长于模糊 逻辑思维的东方尤其日本，模糊控制在理论、技术和应用上都得到了迅 速的发展。19 8 4 年国际模糊系统学会( i f s a ) 成立，19 8 5 年i f s a 召开首 届年会，1 9 9 2 年i e e e 召开关于模糊系统的国际会议( f u z z i e e e ) 并决定 每年举行一次，这表明模糊控制已成为举世瞩目的研究领域。 模糊控制的突出特点为：模糊逻辑中引入“隶属度”概念，突破 了简单二值逻辑的局限性，符合人对不确定性事物的模糊描述方式，是 解决不确定性系统控制的一种有效途径；模糊控制是基于人类的经验 或知识。建立语言型控制规则表，然后根据实际系统的输入，即可实现 实时控制，而不需要建立被控系统的精确数学模型：模糊控制的控制 规则表具有相对的独立性，利用这些控制规则间的模糊连接，容易找到 折中选择，使控制效果优于常规控制方法；模糊控制算法是基于启发 性的知识及语言决策规则设计的，有利于模拟人工控制的方法，增强了 其适应能力；模糊控制系统具有极强的鲁棒性，对干扰和系统参数变 化不敏感。尤其适合于非线性复杂系统的控制。 模糊控制的突出特点促使其在家用电器( 如洗衣机、空调、微波炉 等) 、工业过程控制( 如水净化处理、发酵过程、水泥窑等) 、专用系统及 其它方面( 如汽车驾驶、电梯、自动扶梯、机器人等) “”都得到了广泛应 用。 模糊控制的缺点有：控制效果的好坏依赖于模糊控制规则表是否 正确、全面总结了运行人员的控制经验；单纯的模糊控制存在稳态控 制误差：模糊控制规则和隶属度函数是预先确定的，自适应能力有限； 学习能力低下导致模糊控制智能水平尚需进一一步提高；容易产生振 荡现象：模糊控制的稳定性分析理论并不是很完善。 针对模糊控制的特点，目前模糊控制的研究主要集中在：模糊复 合控制”“：自适应模糊控制咄“：模糊控制的解析结构分析3 ；模 糊控制系统的稳定性和鲁棒性问题”；模糊控制与其它智能控制方法 昆明理工大学2 0 0 1 级硕士研究生学位论文 第一章绪论 的结合，如专家模糊控制”“、模糊神经网络控制”；其它方面，如模 糊系统建模及参数辨识”、最优模糊控制叫等。 2 ) 神经网络控翩 神经网络控制( n e u r a ln e t w or kc o n t r 0 1 ) 是一种从组织机理上对人 脑生理的思维系统进行简单结构模拟的新兴控制和辩识方法。与模糊控 制相比，神经网络控制在利用系统定量数据方面有较强的学习能力，只 要样本足够多，就可以通过不断学习修正连接权值，取得满意的控制效 果，但是它将实际控制问题看成“黑箱”的映射问题，缺乏明确的物理 意义，不能有效利用已经得到的控制经验等定性知识，而模糊控制利用 规则很容易表达控制经验等定性知识。 神经网络的发展分为三个阶段。川： 发展阶段( 1 9 4 0 - 1 9 6 8 年) ：研究主流是仿生学结构主义，即企图用 硬件来模拟人脑的结构和功能； 挫折阶段( 1 9 6 9 - 1 9 8 0 年) ：1 9 6 9 年m i n s k y 和p a p e r t 出版了专著 感知器，指出线性感知器的局限性，加上研究手段和工具的缺乏，使 神经网络遭受挫折，进入低潮时期； 再发展阶段( 1 9 8 0 年一现在) ：1 9 8 2 年j h o p f i e ld 提出的h o p f ie i d 网络模型，1 9 8 4 年h i n t o i l 等人提出b 0 1 t z m ar l n 机模型并首次采用了多层 网络的学习算法，1 9 8 6 年m c c l e l l a n d 和r u m e l h a r 提出了多层前馈网络 的误差反向传播算法( b p 算法) ，1 9 8 7 年第一届国际神经网络会议在美国 召开，标志着神经网络研究热潮的再次兴起。 现在，被研究的神经网络模型已达近百种，在智能控制领域中应用 最多的是b p 网络、c m a c 网络、h o p f ie l d 网络、自组织神经网络、动态 递归网络、联想记忆网络、a d a l in e 网络等。 神经网络的特点是：神经网络具有逼近任何非线性函数的能力； 神经网络具有自适应和自学习的特性；由于大量神经元之间广泛连 接，即使少量单元被破坏，也不会太大影响系统整体功能，具有较强鲁 棒性和容错性；神经网络采用并行分布处理方法，易于用v l s i 实现， 使快速运算成为可能；非常适合于处理多变量、非线性、时变性、强 藕合性、不确定性的复杂大系统的控制问题。 当前神经网络的应用领域涉及模式识别、图象处理、自动控制、语 音识别、金融预测、机票管理等。神经网络控制的研究目前集中在： 8 昆明理工大学2 0 0 1 级坝士研究生学位论文第一章绪论 系统建模1 ；神经网络学习控制“：神经网络自适应控制3 ；神 经网络内模控制“：神经网络预测控制”：神经网络控制与模糊控 制、遗传算法结合。” 值得注意的是，神经网络固然十分诱人，但其理论研究还不成熟， 许多问题还有待进一步研究，如神经网络的学习算法研究、收敛性分析、 稳定性分析等。 3 ) 遗传算法 遗传算法( g e n e t ica 1g o r i t h m ，简称g a ) 是一种基于d a r w i f l 的进化 论和m e n d e l 的遗传学说，模拟自然进化过程的随机性全局优化方法。与 模糊控制、神经网络一道是目前智能控制理论的三大研究方向。遗传算 法的基本原理是通过将问题转换成由染色体组成的进化群体和对该群体 进行操作的一组遗传算子( 最基本的3 个遗传算子是选择算子、杂交算子 和变异算子) ，通过“优胜劣汰、适者生存”的进化机制，经过“生成一 评价一选择一操作”的进化过程反复进行，直到搜索到最优解为止。 遗传算法起源于2 0 世纪6 0 年代的美国密执根大学，历经发展，遗 传算法逐渐成为解决复杂问题的新思路和新方法。目前，国内外已经成 功将遗传算法应用于图象处理、生产调度、市场分析、自动控制、路径 规划等众多领域。 与传统的解析法、枚举法、随机法等优化算法相比，遗传算法的特 点是：遗传算法只对参数的编码进行操作以及通过目标函数计算适配 值，而同参数本身、待寻优函数形式等无关，因此对问题依赖性小，鲁 棒性强，应用性广；遗传算法同时从多个初始点开始启发式并行寻优， 既可能找到全局最优解，又可以提高寻优速度；遗传算法用概率转变 规则代替确定性规则，尽量避免收敛于局部最优解；遗传算法更适合 于大规模复杂问题的优化。 由于遗传算法存在早熟、收敛慢等问题，还不能满足控制系统实时 性的要求，所以遗传算法在自动控制方面的应用多数处于理论性仿真研 究阶段，实际应用还比较少。为了使遗传算法能更好地应用于自动控制 理论中，今后要继续研究遗传算法的基础理论、收敛性分析、编码方式、 遗传算子、遗传控制参数等。 4 ) 其它智能控制理论 专家控制( e x p e r tc o n t r 0 1 ) 是指应用人工智能中专家系统的概念和 9 昆明理t 人学2 0 0 1 级硕士研究生学位论文 第一章绪论 技术，将人类专家的控制知识与经验同定理算法有机地结合的一种智能 控制方法。 递阶智能控制( h ie r a f c h ic a lf n t e lljg e n tc o n t r 0 1 ) 是模拟人的大 脑的分层结构，由执行级、协调级、组织级构成控制系统的一种控制方 法，是智能控制的最早理论之一。 学习控制( l e a r n ir l gc o n t r 0 1 ) 是一种模拟人的学习过程，能在运行 过程中逐步获得控制对象和环境的未知信息，经过积累控制经验，并在 一定评价标准下进行估值、分类、决策和不断改进系统性能的智能控制 方法。 总之，智能控制的历史不长，理论也不完美，但是这不妨碍其成为 自动控制的前沿学科之一，并在实际生产中得到有效应用。归纳起来， 其基本特点为：智能控制的研究对象是经舆控制理论和现代控制理论 都难以求解的复杂大系统( 诸如不确定性、非线性等) ，研究核心是高层 控制，研究任务是对实际环境或过程进行组织( 决策和规划) ，实现广义 问题求解和全局控制，并具有较强容错能力；智能控制系统分析和设 计的重点不放在对控制对象数学公式的描述、计算和处理上( 复杂大系统 可能根本无法用精确的数学模型进行描述) ，而是把重点放在对非数学模 型的描述、符号和环境的识别、知识库和推理机设计和开发等上面； 具有学习能力、自适应和自组织能力；定性决策和定量控制相结合； 传统的数值计算与一阶谓词逻辑运算、符号推理、知识推理运算等相 结合：智能控制是人工智能、自动控制、运筹学等学科的交叉产物。 各种智能控制方法都只是在一定程度上、在某一方面模仿了人的智 能，各有优缺点，尚需在理论、方法和技术上进一步完善，同时在实践 应用环节上也需要做大量的工作。此外值得一提的是，单一的智能控制 方法往往无法满足复杂控制系统的需要，把多种智能控制方法结合如模 糊神经控制、遗传神经控制、模糊遗传神经控制等将是智能控制发展的 趋势之一，还应注重与经典控制理论、现代控制理论的结合使用。 1 1 ，4 自动控制理论的现状和发展趋势 自动控制理论的发展经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控 制理论三个阶段。这三种控制理论及其分支都有利有弊，既有实用性又 有局限性，各有一定的适用范围。此外，虽然所有控制系统的目的都是 1 0 昆明理丁大学2 0 0 1 级硕士研究生学位论文 第一章绪论 在外来扰动和内在扰动影响下能够及时调整控制作用，以保持系统稳定 性和性能指标，但控制系统的类型却是多种多样，或大或小，或繁或简， 并不能一概而论，因此所采用的控制理论、方法和技术也是“百花齐放 百家争鸣”。所以自动控制理论的现状是三种控制理论及其分支长期并 存，相互交叉，共同发展，而不是相互取代。 各种控制理论及其分支互相取长补短，以便扩大其应用范围，将是 自动控制理论的发展方向和趋势。事实上，现在己经出现了集经典控制 理论、现代控制理论和智能控制理论于一身的各种复合控制理论，如模 糊p i d 复合控制、模糊变结构控制、自适应模糊控制、模糊预测控制、 模糊神经网络控制、专家p i d 控制、专家模糊控制等等。相信这方面的 研究会不断深入进行下去。 1 2 火电厂热工自动化的历史与展望 1 2 1 火电厂热工自动化的背景和概念 经过半个世纪的发展，中国电力工业有了长足的进步，特别是近几 年成绩更为显著，已经掌握了6 0 0 m w 超l 临界火电机组、5 5 0 m w 混流式水电 机组、1 0 0 0 m w 核电机组和5 0 0 k v 交直流输变电工程的设计和制造技术， 建成了秦山核电站、大亚湾核电站、北仑5 6 0 0 m w 火电厂、三峡巨型水 电站，这一切使得电力供应严重短缺的状况得以缓解，并促进了国民经 济的飞速发展和人民生活的极大提高。 电力工业的生产特点是电能不能直接储存，必须连续地发电、输电、 供电。为了确保生产安全性和经济性，必须大量采用自动化设备和技术， 故相对于其它工业部门，电力工业具有较高的自动化水平。但目前我国 的电力工业的自动化水平仍需迸一步提高。 火电厂热工过程是指火力发电厂中，将燃料( 煤、油、气) 在锅炉 中燃烧放出的热量与工质( 水和汽) 迸行热交换，产生具有高温高压的 蒸汽，供给汽轮机做功并带动发电机，完成化学能向热能、向机械能、 向电能转换的热力生产过程。自动化是指机器设备或者生产过程、管理 过程，在没有人直接参与下，经过自动检测、信息处理、分析判断、操 纵控制，实现预期的目标。所以火电厂热工自动化是指在没有人直接参 与情况下，通过自动化仪表和自动控制装置( 包括计算机和计算机网络) ； 完成热工过程的参数测量、信息处理、自动控制、自动报警和自动保护。 1 1 昆明理工丈学2 0 0 3 级硕l 研究生学位论立第章绪论 在步i 来扰动和内在扰动影响下能够及时调整控制作用，以保持系统稳定 性和性能指标，但控制系统的类型却是多种多样，或大或小，或繁或简， 并不能一概而论，因此所采用的控制理论、方法和技术也是“百花弃放， 百家争鸣”。所以自动控制理论的现状是二种控制理论及其分支长期并 存，相互交叉，共同发展，而不是相互取代。 各种控制理论及其分支互相取长补短，以便扩大其应用范围，将是 自动控制理论的发展方向和趋势。事实上现在己经出现了集经典控制 理论、现代控制理论和智能控制理论于一身的各种复合控制理论，如模 糊p i d 复台控制、模糊变结构控制、自适应模糊控制、模糊预测控制、 模糊神经网络控制、专家p i d 控制、专家模糊控制等等。相信这方面的 研究会不断深入进行下去。 1 2 火电厂热工自动化的历史与展望 1 2 。1 火电厂热工自动化的背最和概念 经过半个世纪的发展，中国电力工业有了长足的进步，特别是近几 年成绩更为显著，已经掌握了5 0 0 m w 超l 临界火电机组、5 5 0 m w 混流式水电 机组、l0 0 0 m w 核电机组和5 0 0 k v 交直流输变电工程的设计和制造技术， 建成了秦山核电站、大亚湾核电站、北仑5 x6 0 0 m w 火电厂、三峡巨型水 电站这一切使得电力供应严重短缺的状况得以缓解，并促进了国民经 济的飞速发展和人民生活的极大提高。 电力工业的生产特点是电能不能直接储存，必须连续地发电、输电、 供电。为了确保生产安全性和经济性，必须大量采用自动化设备和技术， 故相对于其它工业部门，电力j ：业具有较高的自动化水平。但目前我国 的电力工业的自动化水平仍需进步提高。 火电厂热【过程是指火力发电厂中，将燃料( 煤、油、气) 在锅炉 中燃烧放出的热量与工质( 水和汽) 进行热交换，产生具有高温高压的 蒸汽，供给汽轮机做功并带动发电机，完成化学能向热能、向机械能、 向电能转换的热力生产过程。自动化是指机器设备或者生产过程、管理 过程，在没有人直接参与下，经过自动检测、信息处理、分析判断、操 纵控制，实现预期的目标。所以火电厂熟工自动化是指在没有人直接参 与情况下，通过自动化仪表和自动控制装置( 包括计算机和计算机网络) ： 完成热工过程的参数测量、信息处理、自动控制、自动报警和自动保护。 完成热工过程的参数测量、信息处理、自动控制、自动报警和自动保护。 昆明理工大学2 0 0 1 级硕士研究生学位论文第一章绪论 火电厂热工自动化延伸了人的信息获取、处理和决策控制的功能，提高 了生产能力、生产水平和劳动生产率，保证了火电机组运行的安全性和 经济性。 1 2 2 火电厂热工自动化的现状和展望 1 2 2 1 热工自动化的现状 国内3 0 0 m w 及以上火电厂机组已经普遍采用d c s ，提高了运行的安全 性和经济性。随着p c 技术发展，基于p c 的d c s 己经出现，并采用基于 w i n d o w s 平台的可视化软件，大大有利于运行人员操作，而且d c s 和p l c 之间的界限日益模糊，大多数的p l c 都带有通讯接口，可以方便地连入 d c s 中，比如以前由d c s 包含的锅炉燃烧监控系统( f s s s ) ，现在可由 p l c 来实现再连入d c s 。此外d c s 基本上实现了火电厂锅炉、汽轮机的一 体化控制，即将自动检测、自动控制、自动报警和自动保护通通纳入d c s 中，当然有些火电厂机组中的汽轮机自动调节系统( d e h ) 尚未进入d c s 。 为了实现信息化管理，d c s 可以和火电厂计算机局域网相连，可以将d c s 中运行参数的实时数据和历史数据送入全厂m i s 系统，实现数据共享和 二次加工。 1 2 2 2 热工自动化的展望 火电厂热工自动化是保障设备安全、提高机组经济性、减轻劳动强 度及改善劳动条件的重要技术措施。展望2 1 世纪，火电厂热工自动化预 计将会朝着下面几个方向发展。 1 ) 在较长时间里，d c s 和p l c 仍是新机组安装和老机组改造的首选， 并将火电厂的电气部分也纳入d c s ，实现锅炉、汽轮机、发电机d c s 一体 化监控，智能控制策略也将大量引入d c s 和p l c 。 2 ) 现场设备( 仪表和控制执行器) 继续向微型化、数字化、智能化 方向发展，控制室工作站向小型化、自动化、智能化驾驶仓式靠近，为 f c s 最终取代d c s 做准备。 3 ) 跟踪世界潮流，发展热工仪表的各种测量新理论，特别是要重视 基于智能控制理论和计算机监测系统的仪表特性辩识和校正方法。 4 ) 结合火电厂热工自动化中的具体控制系统和自动控制理论，继续 研究各种先进控制策略，并加强其实用化的研究。 昆明理工大学2 0 0 1 级硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 3 本文的主要研究内容 自动控制理论博大精深，火电厂热工自动化内容也丰富多彩，本文 结合自动控制理论，试图在火电厂热工自动化的以下方面做一些应用研 究。 1 、本文总结了模糊控制、神经网络的基本理论，分析了它们在智能 控制系统领域中的应用，深入分析了模糊控制和神经网络的特点和缺陷， 提出基于神经网络预测的模糊控制方案。 2 、介绍火电厂大型单元机组的主要控制系统，并针对火电厂锅炉汽 包水位控制系统，利用神经网络预测、模糊控制两种方法对汽包水位的 控制问题作有益的尝试研究工作。 3 、运用软件m a t l a b 进行计算机仿真，并分析仿真结果。 昆明理工大学2 0 0 1 级硕上研究生学位论文 第二章火电r 大型单元帆组的自动控制 第二章火电厂大型单元机组的自动控制 火力发电厂在我国电力1 业中占有主要地位，是我国的的重点能源 工业之一。大型火力发电机组具有效率商、投资省、自动化水平高等优 点，在国内发展得很快。大型火力发电机组是典型的过程控制对象，它 是由锅炉、汽轮发电机组和辅助设备组成的庞大的设备群。由于其工艺 流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要监视、操作或 控制，没有先进的自动化设备和控制系统要正常运行是根本不可能的。 而且电能生产还要求高度的安全可靠性和经济性，尤其是大型骨干机组， 这方面的要求更为突出。因此大型机组的自动化水平受到特别的重视。 目前已逐步把常规控制与计算机控制结合起来，并逐步开始采用分布式 控制系统进行控制。 2 1 火电厂大型单元机组的生产过程n 7 1 水 一燕汽 一一空气 煤c = 令烟气 图2 1 单元机组的典型结构 根据运行方式、燃料种类、制粉系统的不同，火电厂机组分为多种 类型，目前我国普遍采用安全性、经济性都较好的以燃煤为主带有汽包 与中间储仓式制粉系统的单元机组。单元机组是指将锅炉、汽轮机和发 电机一一对应、纵向联系所构成的条龙式的格体生产系统，不同单元 1 4 昆明理工大学2 0 0 1 级硕士研究生学位论文第二章火电j 大型单元机组的自动控制 机组之间无横向联系，其典型结构如图2 1 所示。 从图2 1 可知单元机组的工作流程：煤粉和经过预热的空气通过 燃烧器，在锅炉炉膛进行混合燃烧，同时水从汽包流经下降管，进入分 伟在炉膛四周内壁上的水冷壁管，吸收燃烧所释放的辐射能，部分水变 成蒸汽形成汽水混合物；汽水混合物回到汽包经过汽水分离，产生蒸 汽进入主蒸汽管道，主蒸汽流经过热器、再热器与燃烧所生成的高温烟 气进行热交换，并由减温水严格控制温度后，分别进入汽轮机的高、低 压缸冲转做功，释放热能转换为机械能，带动发电机转动，进而转化成 电能并入电网；做功后的低温低压蒸汽在冷凝器中重新变成水，并经 水泵、加热器、除氧器、省煤器返回汽包，以开始下一轮做功循环； 送风机将冷空气送入空预器，经过预热后一路到磨煤机起干燥作用，另 一路到燃烧器与煤粉混合；燃烧生成的烟气流经过热器、再热器、省 煤器、空预器进行热交换后，进入除尘器完成排污处理，并由引风机送 入烟囱排放。 由上述的单元机组工作流程中不难发现，锅炉包含了大量的换热器， 结构复杂，是一个热惯性大、反应迟缓的慢对象，负责将煤的能量转换 为主蒸汽热能，而汽轮机则相对简单，是一个热惯性小、反应迅速的快 对象，负责将主蒸汽热能转换为机械能、电能。因此在调节机组出力满 足电网需求的能量转换过程中，必须兼顾锅炉和汽轮机的差异，使二者 协调动作以维持能量的供求平衡和保证机组的安全稳定运行。 大型单元机组是一机一炉的独立单元，因而也带来它自己的特殊性。 首先，锅炉和汽轮机作为蒸汽的供需两方，需要保持一定的平衡，否则 就破坏了正常的运行。其次，有些部件，例如再热器，既是锅炉的一部 分，又是汽轮机的一部分，它把机炉联结成不可分割的整体。因此，在 设计自动控制时，应把机炉作为一个整体统筹考虑，这就是所谓“协调 控制”。 2 2 火电厂单元机组控制系统 火电厂机组设备的大型化，不仅要求自动控制能够保证机组的正常 运行，还需要进行所谓“全程控制”( 即在机组