基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法，包括：分析鍋爐除氧器的結構和運行特征，建立鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的數(shù)學模型；設計模糊PID控制系統(tǒng)的結構，并確定該模糊PID控制系統(tǒng)的控制參數(shù)；采用遺傳算法對控制參數(shù)進行優(yōu)化；通過鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，在工控組態(tài)軟件中建立鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的對象模型；在組態(tài)軟件中開發(fā)模糊PID控制元件與遺傳算法元件；利用模糊PID控制元件、遺傳算法元件、常規(guī)控制元件以及對象模型實現(xiàn)鍋爐除氧器的控制策略，完成仿真計算并分析仿真結果。本發(fā)明的遺傳優(yōu)化的模糊PID控制算法是以元件的方式集成到組態(tài)軟件中，其大大地提高先進控制策略在線運行的實時性。
【專利說明】基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法
【【技術領域】】
[0001]本發(fā)明涉及流程工業(yè)領域火電廠除氧器的控制，尤其涉及一種基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法，屬于工業(yè)自動化控制【技術領域】。
【【背景技術】】
[0002]在火電廠鍋爐系統(tǒng)中，鍋爐給水中含有對鍋爐系統(tǒng)有害的氣體，如氧氣(O2)、氮氣(N2)、二氧化碳(CO2)等，特別是氧氣會腐蝕鍋爐及其附屬設備，對鍋爐系統(tǒng)造成損害。因此，除氧器是火電廠鍋爐系統(tǒng)很重要的一部分，其除氧效果直接關系到整個電廠熱力設備的正常、安全、經濟運行。人們也一直在尋求高效、經濟的除氧方法。圖1為現(xiàn)有技術中常見的一類鍋爐除氧器，其組成包括:補充水管1、凝結水管2、疏水箱疏水管3、高壓加熱器疏水管
4、進汽管5、汽室6、以及排氣管7。此類鍋爐除氧器運行時的影響因素包括進水的溫度、進水量和進汽量、溶解氧的分壓、除氧器的水位等。
[0003]目前，大部分火電廠的除氧器控制系統(tǒng)仍然采用傳統(tǒng)的PID控制。PID控制是當今世界上應用最廣泛的控制算法，它能滿足多數(shù)工業(yè)控制的要求。但是，由于火電廠除氧系統(tǒng)具有大滯后、大慣性、時變性、非線性等特點，且除氧器的溫度和壓力相互耦合，因此難以建立其精確的數(shù)學模型。傳統(tǒng)的PID控制方法不具有自適應能力，往往得不到令人滿意的除氧效果，甚至可能會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。
[0004]近年來隨著先進控制算法的發(fā)展，許多先進控制算法被應用到除氧器控制系統(tǒng)中，除氧器控制系統(tǒng)的魯棒性能和自適應能力等方面都有了很大的提高。除氧系統(tǒng)常用的先進控制方法主要有模糊控制、模糊PID控制、預測函數(shù)控制等。模糊控制便是一種先進控制算法，它的提出為解決不能確定精確數(shù)學模型的系統(tǒng)提供了一種有效的解決方案。然而盡管單獨的模糊控制可以使得控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性，但由于缺少積分環(huán)節(jié)，因此系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度較差。相比之下，PID控制則具有較好的穩(wěn)態(tài)性能。而模糊PID控制器雖然結合了模糊控制與PID控制的優(yōu)勢，但仍然存在一定的缺陷，其控制參數(shù)設置不理想，量化因子和比例因子對控制效果具有很大的影響。另一方面，現(xiàn)有技術中，先進控制與除氧器控制系統(tǒng)都是相互獨立的，其控制算法在線運行和調試的效果比較差，無法保證數(shù)據(jù)的實時性。此外，采用先進控制算法對除氧器進行控制時，控制算法運行時對計算機的計算性能要求較高，而且 先進控制程序常以編譯封裝的形式呈現(xiàn)，用戶無法在程序執(zhí)行過程中進行必要的在線診斷和優(yōu)化。
[0005]本申請技術是基于現(xiàn)有技術的不足，針對火電廠除氧器的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)特性，提出了一種基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法，將模糊控制和PID控制相結合設計模糊PID控制器，并利用遺傳算法對模糊PID控制器的參數(shù)進行優(yōu)化。目的在于改善傳統(tǒng)PID、模糊控制及模糊PID控制等方法的控制效果，有效地提高除氧器控制系統(tǒng)的自適應能力，并在工程系統(tǒng)中降低先進控制對計算資源的要求，提高先進控制策略執(zhí)行的實時性，也為用戶對先進控制過程進行在線診斷和優(yōu)化提供便利。【
【發(fā)明內容】
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[0006]本發(fā)明要解決的技術問題，在于提供一種基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法，克服了傳統(tǒng)PID控制、模糊控制與模糊PID控制方法的缺點，有效地提高了除氧器控制系統(tǒng)的自適應能力、穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)特性。
[0007]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:一種基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法，包括如下步驟:
[0008]步驟1、分析鍋爐除氧器的結構和運行特征，建立鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的數(shù)學模型；
[0009]步驟2、設計模糊PID控制系統(tǒng)的結構，并確定該模糊PID控制系統(tǒng)的控制參數(shù)；
[0010]步驟3、根據(jù)模糊PID控制系統(tǒng)的控制參數(shù)的特點，采用遺傳算法對控制參數(shù)進行優(yōu)化；
[0011]步驟4、通過所述鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，在工控組態(tài)軟件中建立鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的對象模型；
[0012]步驟5、在工控組態(tài)軟件中開發(fā)模糊PID控制元件與遺傳算法元件；
[0013]步驟6、在工控組態(tài)軟件中利用所述模糊PID控制元件、遺傳算法元件、常規(guī)控制元件以及鍋爐除氧器控制元件實現(xiàn)鍋爐除氧器的控制策略，并完成仿真計算和結果分析。
[0014]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:1、本發(fā)明中除氧器的控制采用遺傳算法來優(yōu)化模糊PID控制系統(tǒng)的控制參數(shù)，克服了傳統(tǒng)PID控制、模糊控制與模糊PID控制等方法的缺點，能夠有效地提高了除氧器控制系統(tǒng)的自適應能力、穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)特性。2、本發(fā)明中遺傳優(yōu)化的模糊PID控制策略可直接運行在控制站中，無須再配置獨立的計算機來運行先進控制策略，有效地節(jié)省了計算資源。3、本發(fā)明中遺傳優(yōu)化的模糊PID控制算法是以元件的方式集成到組態(tài)軟件中，能夠大大地提高先進控制策略在線運行的實時性。4、本發(fā)明中遺傳優(yōu)化的鍋爐除氧器的控制策略是在工控組態(tài)軟件中開發(fā)完成，可采用圖形化的方式對控制策略進行組態(tài)與調試，且系統(tǒng)運行過程各個環(huán)節(jié)的運算數(shù)據(jù)都能夠通過組態(tài)軟件得到實時的反饋和監(jiān)測，同時也能夠根據(jù)除氧器的運行工況進行在線調試。
【【專利附圖】
【附圖說明】】
[0015]圖1為本發(fā)明中現(xiàn)有技術的鍋爐除氧器的結構示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明中鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的結構示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明的方法流程示意圖。
【【具體實施方式】】
[0018]請參閱圖2和圖3所示，本發(fā)明為一種基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法，如圖2所示，該方法中涉及的鍋爐除氧器控制系統(tǒng)是由模糊PID控制系統(tǒng)和鍋爐除氧器組成的；該方法包括如下步驟:
[0019]步驟1、分析鍋爐除氧器的結構和運行特征，建立鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的數(shù)學模型；該步驟具體包括步驟10至步驟11:
[0020]步驟10、根據(jù)鍋爐除氧器的結構，獲得除氧器的控制對象和運行特征；所述控制對象為鍋爐除氧器，控制變量為除氧器的溫度，運行特征為給水的流量擾動是影響除氧器除氧效果的主要因素；
[0021]步驟11、以階躍信號作為鍋爐除氧器的輸入信號，則鍋爐除氧器可表示為一個二
階慣性環(huán)節(jié)和一個延時環(huán)節(jié)，即鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)用公式
【權利要求】
1.一種基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1、分析鍋爐除氧器的結構和運行特征，建立鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的數(shù)學模型； 步驟2、設計模糊PID控制系統(tǒng)的結構，并確定該模糊PID控制系統(tǒng)的控制參數(shù)； 步驟3、根據(jù)模糊PID控制系統(tǒng)的控制參數(shù)的特點，采用遺傳算法對控制參數(shù)進行優(yōu)化； 步驟4、通過所述鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，在工控組態(tài)軟件中建立鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的對象模型； 步驟5、在工控組態(tài)軟件中開發(fā)模糊PID控制元件與遺傳算法元件； 步驟6、在工控組態(tài)軟件中利用所述模糊PID控制元件、遺傳算法元件、常規(guī)控制元件以及鍋爐除氧器控制元件實現(xiàn)鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的控制策略，并完成仿真計算和結果分析。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述步驟I具體包括如下步驟: 步驟10、根據(jù)鍋爐除氧器的結構，獲得除氧器的控制對象和運行特征；所述控制對象為鍋爐除氧器，控制變量為除氧器的溫度，運行特征為給水的流量擾動是影響除氧器除氧效果的主要因素； 步驟11、以階躍信號作為鍋爐除氧器的輸入信號，則鍋爐除氧器可表示為一個二階慣性環(huán)節(jié)和一個延時環(huán)節(jié)，即鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)用公式Usj=g萇表
(Λ+1)示；其中，K表示被控對象的放大系數(shù)，T表示被控對象的時間常數(shù)，η表示被控對象的階數(shù)，i表示被控對象的滯后時間，s表示系統(tǒng)的頻域變量，G表示鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述設計的模糊PID控制系統(tǒng)的結構由模糊控制器與PID控制器組成；所述模糊控制器用于調節(jié)模糊PID控制系統(tǒng)的控制參數(shù)，該模糊控制器輸入端輸入除氧器溫度的誤差e和誤差變化ec，輸出為PID的調節(jié)量Λ kp、A ki和Λ kd ;在模糊PID控制系統(tǒng)運行時，模糊控制器不斷地修正PID控制器的輸入?yún)?shù)，該模糊PID控制系統(tǒng)的控制參數(shù)值為kp=kpl+ Δ kp,ki=kil+ Δ ki,kd=kdl+ Δ kd,其中 kpl,kil,kdl 為 PID 初始設定值；Δ kp、Δ ki和Λ kd是隨著輸入誤差e和誤差變化ec的變化而變化的變量值。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法，其特征在于: 所述模糊控制器的影響因素包括模糊控制規(guī)則、模糊推理方法、量化因子系數(shù)ke和kec以及比例因子系數(shù)ku ;所述量化因子系數(shù)ke、kec為模糊控制器的比例作用與微分作用；比例因子系數(shù)ku為總的放大倍數(shù)；該量化因子與比例因子對模糊控制器的控制性能影響最大。
5.根據(jù)權利要求3所述的基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法，其特征在于:采用遺傳算法對控制參數(shù)進行優(yōu)化，即采用遺傳算法對量化因子系數(shù)ke和kec以及比例因子系數(shù)ku進行尋優(yōu)，從而得到最優(yōu)的模糊PID控制系統(tǒng)的控制參數(shù)；其中，遺傳算法的適應性函數(shù)應考慮模糊PID控制系統(tǒng)的誤差、模糊PID控制系統(tǒng)輸出的控制量以及模糊PID控制系統(tǒng)的上升時間；遺傳算法的適應性函數(shù)表示為
6.根據(jù)權利要求1所述的基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述對象模型為在仿真體系下采用一組計算模型來模擬實際控制對象的運行過程；該對象模型的建立是根據(jù)鍋爐除氧器控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，在工控組態(tài)軟件中通過開發(fā)鍋爐除氧器控制元件來實現(xiàn)的，該鍋爐除氧器控制元件的控制參數(shù)包括時間參數(shù)、放大系數(shù)以及滯后時間。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述步驟5具體包括如下步驟: 步驟50、在工控組態(tài)軟件中編寫模糊PID控制算法與遺傳算法函數(shù)； 步驟51、在工控組態(tài)軟件中通過調用編寫的模糊PID控制算法與遺傳算法函數(shù)構建模糊PID控制元件與遺傳算法元件。
8.根據(jù)權利要求5所述的基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述模糊PID控制元件包括Λ kp元件、Λ ki元件、Λ kd元件,該三個元件分別輸出PID調節(jié)量Λ kp、PID調節(jié)量Λ ki和PID調節(jié)量Λ kd ;該三個元件的輸入均為鍋爐除氧器的溫度誤差e和誤差的變化ec，控制參數(shù)均為量化因子系數(shù)ke、kec和比例因子系數(shù)ku ;所述遺傳算法元件的輸出為所述最優(yōu)的模糊PID控制系統(tǒng)的控制參數(shù)，輸入由模糊PID控制系統(tǒng)的程序來獲取。
9.根據(jù)權利要求1所述的基于遺傳算法與模糊控制的除氧器控制的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述步驟6具體包括如下步驟: 步驟60、在工控組態(tài)軟件中通過對所述模糊PID控制元件、遺傳算法元件、常規(guī)控制元件以及鍋爐除氧器控制元件進行組態(tài)，來實現(xiàn)控制策略，所述常規(guī)控制元件包括=PID控制元件、基礎計算元件、模擬量設定器、中間模擬量以及繪圖元件； 步驟61、在實驗仿真過程中，當模糊PID控制系統(tǒng)穩(wěn)定后，給系統(tǒng)一個擾動信號模擬給水的擾動，觀察模糊PID控制系統(tǒng)的抗擾動能力；所述擾動信號可在組態(tài)軟件中通過編輯控制邏輯來實現(xiàn)。
【文檔編號】G05B13/02GK103970013SQ201310035496
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年1月30日 優(yōu)先權日:2013年1月30日
【發(fā)明者】鄭松, 盧定興, 陳藝賓, 張望, 曾其鋆, 林麗明, 鄭明明 申請人:福州福大自動化科技有限公司