主汽温系统的区间II型模糊免疫控制.pdf

第 44 卷 第 3 期 2013 年 5 月 锅 炉 技 术 B 0 ILE R T ECH N OLO G Y V o1 44 ，N O 5 Ma y ，2 0 13 主汽温 系统 的 区间 II 型模糊免疫控制 陆 海，许必熙 (南京工业 大学自动化与 电气工程学院 ，江苏 南京 211816) 摘要 ： 针对火 电厂 主汽温被控对象 大惯 性 、 大滞后 、 时变以及采用常规 P ID 串级控制难 以取 得满意效果 等 特点 ， 为此设计 了区间 II型模糊免疫 一比例 串级控制 系统。该系统借 鉴生物 免疫反 馈响应过程 的调 节规律 ， 并采 用区间 II 型模糊 系统逼近免疫响应 中的非线性调节 函数 。仿真结果表明 ， 系统具 有较 强的鲁棒性和很好 的控 制品质。 关键词 ： 免疫反馈 ；区间 II型 ；模糊系统 ；主汽温控制 中图分类号 ： T P 273 文献标识 码 ： A 文章编号 ： 16724763(2013)030015-04 0 前 言 锅炉 过 热 蒸 汽 出 口温 度 (主 汽 温 )是 热 工 过 程控制系统中的主要参数之一， 必须严格控制在 给定值 附近 。 由于 主 汽温 被 控 对 象 的 大 惯性 、 大滞 后 、 时变 等 特 点 ， 采 用 常 规 PID 串 级 控 制 已 经难 以取 得满 意 的控制 效果 。 生 物免疫 系 统 可 认 为是 一 种 在 大 量 干 扰 和 不确定 性 环 境 中都 具 有 很 强 鲁 棒 性 和 自适 应 性 的系 统 。不 同于 普通 I 型 模 糊 集 ， II 型 模 糊 集 的 隶属 度 函数从 二维 增 加 到三 维 ， II 型 模 糊 系 统具 有更强的处 理不确定信息 的能力 。本文结合 免 疫系统及 II 型模糊系统 的各 自特性， 针对 主汽温 系统 ， 设计 一种 区问 II 型模糊 免 疫 一 比例 串级控 制 系统 ， 仿 真 结 果 表 明 ， 该 系 统 具 有 较 强 的鲁 棒 性 ， 控 制 品质 明显 好 于 PID P 串级 控 制 以及 普 通 I 型模 糊免 疫 一 比例 串级控制 。 1 免疫 反馈规律 生 物免 疫系 统 对 于外 来 入 侵抗 原 ， 可产 生 相 应 的抗 体 来 抵 御 。系 统 主 要 由淋 巴 细 胞 和 抗 体 分 子组 成 ， 淋 巴细 胞 又 由胸 腺 产 生 的 T 细胞 (分 为辅助细胞 丁 和抑制细胞 T s)和骨髓产生 的 B 细胞组成。抗原侵入机体 后， 信息被 传递给 T 和 丁 s 细胞 ， 然 后 刺激 B 细 胞产 生抗 体 以消除 抗 原 。 假 设第 k 代抗 原浓 度 为 (是 )， T 、 T s 的浓度 分 别 为 T (是 )和 T (是 )， 则 B 细受 到 的刺激 S (足 ) 为 ； S (k )一 T H (忌 ) T s (忌 ) 其 中 ： T H (是)一 K l e(是 ) T s(是 )一K 2f ES (k )， A S (k )e(忌 ) (1) 式 中 ： d 滞 后 时间 ， t； -厂 () 一个非线性的调节函数 ， 用来表证抗 原 和第 (忌 一 )代 抗 体 及其 变化 对 抑 制 细胞 丁 的影 响 。 如 果 以 B 细胞 接受 的总刺 激 S (走 )作 为 控制 输入 u(k)，抗原浓 度 e(忌 )作为偏 差 P(尼 )， 则 免疫 反馈 控 制规律 可 以表示 为 ： “ (忌 )一K 1 P(忌 )一K 2fEu(k- d )， A u (k- d)e( )一K 1一vf (是 d )， “ (意 一 )e(五 ) (2) 式 中 K K ， 控 制反 映速 度 ， 参数 刀 一K K 与 响应 的稳定性 有 关 。 2 区间 lI型模糊 免疫控 制器 根据 式 (2)设 计 的控 制 器 实质 上 是 一个 非 线 性 P 控制 器 ， 可 以与常 规 P ID 控制 融合 进 一 步提 高控 制器 性能 。考虑 数字 P ID 控 制算 法 ： “ PI。 ( ) 一K (1+ + K d z - 1) 8(愚 ) 得 到本 文 设 计 的 区 间 II 型模 糊 免 疫 (i nter一 收 稿 日期 ： 2Ol2 06 18 作者简介 ： 陆海 (1986 一 ) ， 男 ， 硕士 ， 主要从事智能控制及其应用 的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 锅 炉技术 第 44 卷 val type一2 fuzzy i m m une， IT 2F I)控 制系 统 结构 如 图 1 所 示 ， 控 制器输 出为 ： “ (k)一K 1一rlf F( (走 一 )， “ (忌 ) 一 1 (1 + + K d )e(k ) (3 ) Z 一1 Z 为 了保证 系统 为 负反 馈 控 制 ， 必 须 有 0r f Eu(k- d )， au (k- d ) l， 当 刁 一0 时等效于常规 PID 控制 ， 当 rlfu(k )， A u(k- d ) 1 时表示 正反馈控制 。可以看出控制器的性能依赖于参 数 K p、 K 、 K 、 7和非 线性 调 节 函 数 f ()的选 取 。 本 文采用 区 间 II模 糊 系统 逼 近 非 线性 调 节 函数 厂 ()， 并采用遗传算法优化其参数 。 图 1 区间 II型模糊免疫控制系统结构 3 区间 lI型模糊 系统 II 型模 糊 系 统 的 结 构 如 图 2 所 示 ， 与 普 通 I 型模糊系统 的最大不同是其输出模块 中多 出一 个降 型器 。II 型 模 糊 系 统 的输 入 输 出 均 采 用 II 型模糊集 ， 推理机 的输出需要两次降型后才可 以 得 到精确 值 。降 型 环节 的复 杂 使 II 型 模 糊 推 理 的计算效率低下 ， 而 区间 II 型模糊系统(IT 2F S ) 是一般 II 型模糊系统的一种简化 ， 能在许多具有 挑战性 的应用领域获得 比普通 I型模糊系统更好 的性能l_2。下面依次给出各个部分的设计方法 。 数 曲线 ， 输入变量论域分别为一L ， L 、 一L ， L ， 输 出变量论域为 E0 ， 1 ， L 、 L 及 区间宽度 (图 中未 标 出) 均是待优化的参数 。 图 3隶属度 函数 曲线 规则 库 ： 依 据 细 胞 接 收 的刺 激 越 大 ， 抑 制 能 力越 小 以及细胞 接 收 的刺 激越 小 ， 则 抑 制能 力 越 大 的原则 ， 制定 表 1 所 示 的 9 条规 则 。 表 1 区间 Il型 模糊 系统 的规则 库 推理 机与 降型器 ： 本文 采用 M am dani 推 理模 型 和 中心 集 降 型 法 (C enterof-Sets T ype R educ ti on)。M am dani 法 的推 理 过 程 是将 输 入 的精 确 值模糊化并与前件作用产生激活强度 ， 再与后件 作 用产 生输 出。II模 糊 系 统 中， 规则 前 件 采 用 II 模 糊集 ， 所 以推理 过 程 首先 产 生 的是 一个 I 型激 活强度 集 。令 第 z 规 则 的 激 活 强 度 集 为 ： ， f lu， 对 于 IT 2F S 系统 ， 中心 集 降 型 法 公 式 可 表 示 为 ： 输出模块 y (z )一Ey 图 2 II型模糊系统 模糊 化 ： 区间 II 型模 糊 系统有 2 个 输入 变量 和 1 个输出变量。输入变量是控制器器 的输 出 延 迟 u(k )及其 变化 Au (k ) ， 输 出变 量为 调 节 函数 厂 ()。本文 中输入 变量及 输 出变量 均采 用 3 个 区间 II 型 模 糊 集 模 糊 化 ， 分 别 是 “ 正 ” (P )、 “ 零” (Z )和“ 负” (N )。图 3 阴影部分为隶属度 函 (4) 上式中 厂 -f， flu， c Eci ， c 为规则后件 集 的 质 心 区 间 。 对 于 式 (4 ) 的 计 算 一 般 采 用 K arni kM endel快速 迭代算法 口 。 清晰化 ： 降型器输 出的 y (z )是一个 区间 I型 模糊集 ， 清晰化时只需取其 中间值 ， 即： f Eu (k )， dau(k )一( 1+ ) e l 广 r J m J C J j J r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 陆海 ， 等 ： 主汽温系统 的区间 II型模糊免疫控制 4 汽 温控 制 系统特性 主汽 温 被 控 对 象 具 有 大惯 性 、 大滞 后 、 时变 等 特点 ， 绝 大多 数 电厂采 用 图 4 形 式 的 串级 控 制 方案。图中， W (s)为惰性 区传递 函数， W 。 ( )为 导前区传递 函数， d 为输出测量 干扰 ； dz 为控制 量干扰； r 为参考输入 ， y 为输 出测量值。在常规 的汽 温 串级 控 制 系统 中 ， 主调 节 器常 采 用 P ID 控 制器 ， 副 调 节器 采 用 P 控 制 器 。通 常 ， 副 调 节 器 参数容易整定 ， 主调节器参数难以整定 到最佳效 果 。现场整定一般是依据经 验整定法 和试 凑法 或者 二者 的结 合 ， 这 样整 定 得 到 的参 数 往 往 难 以 适应 负荷 工况 的 变化 。 图 4 主汽温串级控制系统 5 仿真研 究 针 对 某 火 电厂 循 环 流 化 床 锅 炉 主 汽 温 控 制 系统进行仿真研究。导前 区传递函数 W 。 (s)及 惰性 区传递函数 W 。 ( )分别为 ： Wz(s)一 ， W (s)一 当锅 炉 负 荷 在 25 100 oA 之 间 变 化 时 ， 上 述模型各参数的变化 范围是 ： K 为 21， T 为 5035s， K 1 为 0 80 5， T l 为 10080s。 应 用本文设 计 的 IT 2FI P 串级控 制算 法 ， 即 在 图 4 所示 的控 制 系 统 中 主 、 副调 节 器 分 别 采用 IT 2FI、 P 控制器 ， 通过 25 oA ， 100 负荷下的阶跃响 应实验， 与 PID - P 串级控制系统、 普通 I型模糊免 疫 一 比例 (T 1FI P )串级控 制 系统 的动 态 性 能进 行 比较 。仿 真 中 3 类 系统 的 采 样 时 间 均取 T s一 1s， 并用 遗传算法优 化得到相关 参数如下 ： 100 负荷时 PID -P 控制系统中 K P一1 3798、 K I： 0 00572 91、 K d=17 407 、 K i。一 2 2 286 ， T 1F I-P 控制 系 统 中 K 。 一 1 6314、 K 。 一 0 0070195、 K d一 17 61 、 K Ip一 22 80 9 、 T)一 O 47712 、 L 1 4 8747 、 L 2 3 5048， IT 2F I-P 控制 系统 中 K 。 一1 8364、 K 。 一 0 0 0 7 5 8 9 5 、 K d ： 1 8 9 3 8 、 K i 一 2 2 15 4 、 叩 一 0 4 8 3 2 6 、 L 1 = 8 4971 、L 2 4 1406 、dl1 1 6912 、di 2 0 96611、 dl。 一 0 190 1 。 25 负荷 时 PID-P 控 制 系统 中 K 一1 2401、 K i 一 0。 0036 542 、 K d 一 18128 、 K =19 844 ， T 1F I-P 控制 系 统 中 K 。 一 1 7338、 K =0 0053851、 K d一 1 9 1 13 、 K 。p 一 2 7 3 8 9 、 叩 一 0 6 4 4 4 、 L l 一 9 7 4 4 3 、 L z 一 0 45525， IT 2FI-P 控 制 系 统 中 K 。 一 1 6661、 K i 一 0 0050119 、 K d 一 15 354 、 K 。 p一 21 275 、 叩 一 0 62205 、 L 1 6 753 、L 2 2 4712 、dl1 1 4 397 、dl2 0 51261 、 d 一 01804 。 以上参 数 中 K i。 为副调 节器 增益 ， dz 、 dz 、 dz。 为对应 II模糊 集 的 区间宽度 ， 滞后 时 间 一2s， 为 了便 于 比较 T IF IP 和 IT 2F IP 控 制 系统 中参数 K 、 K 、 K a 分 别 对 应 式 (3) 的 K 、 K K i 、 K K d 。 3 _， 0 l 00 0 2 000 3 00 0 4 000 5 00 0 6 00 0 7 000 图 5 100 负荷 下 3 类控 制系统的阶跃 响应 曲线 3 2 j j 、 jf 。 。 ， o 1 0 00 2 000 3 00 0 4 0 00 5 000 6 000 7 00 0 图 6 25 oA 负荷下 3 类控制 系统 的阶跃 响应 曲线 10O 、 25 负荷 下 3 类 控 制 系统 的 阶跃 响应 曲线 分 别如 图 5 、 图 6 所 示 。曲线 1 、 2 、 3 分别 对 应 IT 2FIP 、 T 1FIP 、 P ID P 3 类 控 制 系 统 。从 图中可 以看 出与 P ID -P 、 T 1F IP 两类 控 制 相 比 ， IT 2F I-P 控 制 的 响应 过 度 过 程 短 ， 超 调 量 小 ， 控 制 品 质 明 显 好 于 P ID P 、 T 1 F IP 两 类 控制系统 。 4 2 0 8 6 4 2 1 1 1 O 0 O O 4 2 O 8 6 4 2 1 l 1 O 0 O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 18 锅 炉 技术 第 44 卷 l _4 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 O 2 0 一 1 0 00 2 00 0 3 0 00 4 00 0 5 0 00 6 00O 7 00 0 图 7 K 、 丁 l 同时增大 1O 时的阶跃 响应 曲线 1 4 1 2 1 O O 8 0 6 O 4 0 2 0 厂 1 0 0o 2 0o 0 3 0o 0 4 00 o 5 O0 0 6 oo O 7 000 图 8 K 、 T 同时减小 1O 时的阶跃 响应 曲线 图 5、 图 6 是 在 主汽温控 制对 象 特定 负荷 、 固 定参数 下进 行 仿 真得 到 的结 果 ， 实 际 应 用 中 ， 对 象 参数 往往是 时 变 的 ， 这 就要 求 控 制 系统 具 有 较 强 的鲁 棒 性 。 由于 惰 性 区是 主 汽 温 系统 的 主要 特性所在， 本文针对 25 负荷下惰性 区传递 函数 W ( )的 比例系数及 惯性 时 间 常数均 变 化时 的情 况 进 行 了仿 真 。 图 7、 图 8 分 别 是 W (5)的 系数 K 、 T 同时增 大 10 、 同 时减 小 10 时 的 阶跃 响应 曲线。从 图中可 以看 出 IT 2FIP 控 制输 出 保 持在设定 值 附近很 小 范 围 内 ， 控 制 效果 明显 优 于 P ID -P 、 T 1FIP 两 类 控 制 系统 ， 显 示 了本 文 提 出的 IT 2FIP 串级 控 制 系 统 具 有 较 强 的 鲁 棒 性 及很 好 的控 制 品质 ， 适 用 于 主 汽 温 这 类 大 惯 性 、 大滞后 、 时变系统 的控 制 。 6 结 语 本 文基 于 免 疫 系统 及 区间 II 型 模 糊 系 统 的 各 自特性 ， 针 对 主 汽 温 系 统 ， 设 计 了一 种 区 间 I1 型模糊 免疫一 比例 串级 控 制 系 统 ， 仿 真 结果 表 明 ， 系统具 有较 好 的鲁 棒 性 ， 其控 制 品 质 明显 好 于传 统 P ID P 串级控制以及普通 I 型模糊免疫一比例 控制 。该方 法 为 不 确 定 大 迟 延 对 象 的控 制 提 供 了一种 新颖有 效 的控 制方 法 ， 具 有一 定 的工 程 实 际应用 价值 。 参考 文献 ： 1 彭道刚， 杨平 ， 王志萍 ， 等 火 电厂 主汽温 控制 系统的 免疫 PID 串级控制EJ动力工程， 2005 ， 25 (2) ： 234 23 8 E23 C hao C H H si ao M Y T sai S H and L i T H SD esig ner of an Interval T ype一2 F uzzy Im m une C ontro llerEJIn formati on Technology Journal，20 10 ， 9(6) ： 1115一 i 12 3 33 J M M ende1T yp e一2 fuzzy sets and system s：an overvi ew J C om putati onal Intelli gence M agazi ne，IE E E ，2007 ， 2 (1) ： 20 29 E4；王子杰 ， 黄宇 ， 韩璞 。 等 循环流化床锅炉汽温 自抗 扰控制器 的优化设计EJ 动力工程学报 ， 2O1O ， 3O (1)： 3 1 35 M a i n S tea m T e m p e ra tu re C o n t ro l B a sed o n In te rv a l T y pe -2 F u zzy lm m u n e C o n t ro l L U H ai 。X U B i X i (School of A utom ati on &E lectri cal E ngi neeri ng，N anji ng U ni versi ty of T echnology ，N anji ng 211816 ，C hi na) A