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第25卷第1期 计算机仿真 2008年1月 文章编号:1006—9348(2008)01—0256—03 基于SMITH预估的神经网络再热汽温控制 王望,王广军 (重庆大学动力工程学院,重庆400044) 摘要:电厂锅炉的再热汽温是机组安全、经济运行的重要参数之一,必须控制在一定范围内。而电厂再热汽温被控对象是具 有大惯性、大滞后,并且常规PID控制难以取得良好的控制效果。针对这一特点,提出了一种RBF—smith预估控制算法,该 算法利用了基于RBF整定的PID控制提高对被控对象参数变化的自适应能力和Smith预估控制能够克服被控对象的大迟 延特性,并对RBF--Smith预估控制用Matlab在不同工况下进行仿真试验,仿真结果表明所设计的控制系统的性能较常规 PID控制有较大的提高,证明了控制方案的有效性。 关键词:径向基函数;神经网络;史密斯预估;再热汽温控制 中国分类号:TF273+.1 文献标识码:A Reheat Steam Temperature Control Based on Smith Predictor and RBF Neural Network WANG Kun,WANG Guang—jan (Academy of Power Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China) ABSTRACT:Reheat steam temperature of the boiler in thermal power plant is one of the most important parameters of unit’S security and economy,and must be controlled in certain range.But it has lrage inertia and lag,SO tradition— la PID control can’t satisfy the performance requirement.In view of this characteristic,the paper presents a kind of RBF--Smith controller,in which the PID controller based on the RBF Identiifcation in the algorithm is used to im— prove the self adaptability,and the Smtih predictor is designed to minimize the lrage time delay.The simulation in various situations for super—-heated steam temperature control system using presented method is carried out by MAT— LAB,the results show that the performance of this control system is better than that of the conventional PID control system,SO the validity of this project is proved. KEYWORDS:Radila basis function(RBF);Neurla network;Smith predictor;Reheat steam temperature control 1 引言 神经网络设计原理简单,具有收敛速度快、逼近能力强、训练 为了提高发电机组的热效率,高参数大容量机组广泛采 周期短和网络结构易于调整的优点 j。利用RBF神经网络 用中间再热器,以提高进入中压缸的蒸汽温度。但是再热汽 对PID参数进行自整定,增强了系统的鲁棒性,而Smith预估 温是一个存在大时滞、时变性、大干扰,具有不确定性和非线 器是一种有效的大滞后补偿机制。将基于RBF神经网络整 性的复杂热工对象。 定的PID与Smith预估器相结合,应用于直流炉的烟气挡板 常规汽温控制系统,当机组稳定运行时,一般能将汽温 一再热汽温被控对象,仿真试验表明:该控制算法具有良好 控制在允许的范围内,当运行工况变化较大时;再热汽温的 的控制品质、抗干扰能力,明显优于常规PID控制。 动态特性变化明显,参数和结构变化较大,加之常规PID控 制器参数整定方法繁杂,控制器参数往往整定不良、性能欠 2基于RBF神经网络整定的PID控制器 佳…。由于对象特性的变化,控制品质变差。近年来,对先 2.1网络结构 进控制策略在热工过程控制过程中的应用研究日益增多,并 径向基函数(Radila Basis Function,RBF)神经网络是由 取得了一定的成功。神经网络在解决非线性和不确定系统 J.Moody和C.Darken在20世纪80年代末提出的一种神经 控制方面有很大的潜力,已被广泛地应用于控制领域。RBF 网络,它是具有单隐层前馈网络,由输入到输出的映射是非 线性的,而隐含层空间到输出空间的映射是线性的,从而大 收稿日期:2006—09—13修回日期:2006—10—13 大加快了学习速度并避免局部极小问题。其结构如图1所 ・---——256・---—— 维普资讯 http://www.cqvip.com o + d(error(k)一2error(k一1)+error(k一2)) 2.2被控对象Jacobi- aII信息的辨识算法 神经网络整定指标为: ( ): 1 。,( ): - ‘ (6) 在RBF网络结构 中X=[ l, 2,…, 为网络的输入向量。设 RBF网络的径向基向量 H:[h。,h:,…,h , 其中 ,为高斯基函数: —p( ) '2’…’m)(1) 图1 RBF神经网络结构 kp,k ,k 的调整采用梯度下降法: △ =一 差:一 筹 e…㈩OA uxc(1) 她=一 蓑=一 筹 OAu e…㈩ c(2) 筹=一 筹 OAu e…㈩ c(3) =一 网络的第 个结点的中心矢量为 =[cJ1,cJ2,…,cjl,…, ] 其中,i=1,2,…,n.设网络的基宽向量为: B=[b。,b.…,b 6,为结点 的基宽度参数,且为大于零的数。网络的权向 量为: W=[W。,W:,…, 一,W (2) 辨识网络的输出为: Y (k)=Wlh1+W2h2+…+W h (3) 辨识器的性能指标函数为: _,1= 1(yout(k)一Y (k)) (4) 根据梯度下降法,输出权、节点中心及节点基宽参数的 迭代算法如下: wj(k)= ,(k一1)+7I(yout(k)一Y (k))h+ a(wj(k一1)一 ,(k一2)) △ :(yout㈤-ym㈤ ui △ =(you£( )一Ym(k)w ̄hj u 3 cji(k)=cji(k一1)+ △ +a( (k一1)一 (k一2)) 式中, 为学习速率, 为动量因子。 Jacobian阵(即为对象的输出对控制输入的灵敏度信 息)算法为: a△“(oy (k ( )) aa丽△“(yz( )k)= 一,0 b (5) 其中, :Au(k)。 2.3 基于RBF网络整定的PID控制器整定原理 采用增量式PID控制器,控制误差为: error(k)=rin(k)一yout(k) PID三项输入为: xc(1)=error( )一error(k一1) xc(2)=error( ) XC(3)=error(k)一2error(k一1)+error(k一2) 控制算法为: “(k)=“(k一1)+/tu(k) /tu(k):kp(error(k)一error(k一1))+kierror(k)神经 式中,仉、 、 分别为比例、积分和微分的学习速率 。 RBF整定PID控制系统的结构如图2所示 图2 RBF网络整定PID控制框图 3 Smith预估控制 Smith预估器结构如见图3。Go(S)e )为实际对象模 型,G (1一e”)为估计模型,G (S)为控制器传递函数。当对 象估计模型与实际模型一致,即Gn(S)=G (S)及 = 时, 该系统的闭环特征方程为1+G (S)Go(S)=0,即smith预估 器将对象的时滞环节移到闭环之外,使控制品质提高…。 图3 Smith预估控制器原理图 4 RBF--Smith控制器 将基于RBF整定的PID控制器与Smith预估控制器相结 合,构成RBF--Smith控制器,其结构如图4所示。 图4 RBF—Smith控制器结构 ...——257...—— 维普资讯 http://www.cqvip.com
图4中,RBF网络的在线学习信号则为r(k)一yout(k) 1 一yd(k),辨识器的性能指标函数为 :÷(r(k)一yout(k) 二 一yd(k)) ,所以权值、节点中心以及节点基宽参数的计算也 有相应的调整。由于加入了Smith预估的滞后补偿, RBF--Smith控制闭环系统特征方程式中不包含纯滞后项, 即纯滞后的影响被消除了,RBF神经网络可以更加快速准确 地正定出合适的PID参数,取得更好的控制效果。 归纳RBF—Smith控制器算法如下: 1)给定初值 ,(0),bj(0),c (0),选定Ot和 ,此时k: 1; 2)采样得到r(k),yout(k),yd(k),计算时刻误差 error(k)=r(k)~yout(k)一yd(k); 3)计算RBF网络各层神经元的输入、输出,RBF输出层 的输出即为PID控制器的三个可调参数kp,k ,k ; 4)计算PID控制器的输出u㈤; 5)在线调整参数 ,(k),6,(k)和c,(k),实现PID参数的 自适应调整; 6)置k=k+1,返回到1)。 5 RBF--Smith控制仿真 本文选取TIIfl一200型直流炉单元机组的低温再热器 为对象,根据低温再热器在不同负荷下再热蒸汽温度对象特 性,利用Matlab7.0进行变负荷的仿真实验,并与常规PID控 制系统进行比较。 本仿真试验中,控制对象的传递函数取: G(s) 一 一(T1s+1)(T2::: s+1) (7) 文献[5]给出了 盯盯一200型直流炉单元机组的低温再 热器在85%负荷下,烟气旁路挡板扰动时汽温反应陆线及 其传递传递函数为 G㈤:丽 (8) 文献[6]根据文献[5]给出的蝴一200型直流炉单元 机组的低温再热器负荷变化时的特性参数陆线拟合得到在 75%负荷下的特性参数: =0.58,Tj=36, =301,r: 105; 在85%负荷下,分别用常规PID和RBF--Smith对其进 行控制,其中RBF网络结构选为3—6—1,控制系统的阶跃 动态响应陆线如图5所示。 从图中不难看出,采用RBF--Smith控制器,控制系统 的响应过程超调量小,在420s左右可以达到稳定;而常规 PID控制系统不仅超调量较大,在1100s左右才能达到稳定, 调节时间较长。由此可见,RBF--Smith控制系统能较好地 解决响应快速性和稳定性的矛盾,适用于具有大惯性、大迟 延特性的再热汽温控制过程。 当负荷为75%不改变控制系统的参数对两个控制系统 分别进行仿真试验,其阶跃动态响应如图6所示 ...——258..—.— o 200 4oo 6OO 800 1000 l2o0 14o0 l6OO 时间/s 图5低温再热器在烟气旁路挡板扰动时 不同控制方式下控制过程曲线 1.4 1.2 2 1.o =o.8 袋 0.6 0-4 0.2 0.0 0 2oo 4oo 6OO 800 lOO0 12oo 14o0 1600 时间,s 图6低温再热器在不同负荷不同控制 方式下控制过程曲线 从仿真结果可见,当负荷变化,模型中的延迟时间、时 间常数和增益也发生变化时,常规PID控制系统响应过程的 超调量明显增加,稳定时间也有明显的延长,而RBF--Smith 控制系统的超调量和稳定时间变化较小,调节时间短。由此 可知,RBF--Smith控制系统较常规PID控制系统有良好的 自适应能力,其控制的稳定性和鲁棒性优于常规PID控制。 6结束语 本文将基于RBF整定的PID和Smith预估控制器相结 合,对再热汽温进行控制,并根据低温再热器在不同负荷下 再热蒸汽温度对象特性,进行变负荷的仿真实验。仿真结果 表明,对于延迟时间较大的再热汽温系统取得了较好的控制 品质和适应性,使系统的动态和静态性能都得到了改善。这 种方法适用于具有大迟延、非线性系统,具有一定的应用价 值。 参考文献: [1]刘志远,吕剑虹,陈来九.智能PID控制器(下转第293页) 维普资讯 http://www.cqvip.com
采用Delphi法来确定本文27个评价指标的权重系数。采用 Delphi法确定权重系数需要邀请多位业内专家匿名赋值,多 次论证后求均值,其优点在于在定量分析过程中,将专家的 主观经验和判断力考虑进去,有助于提高评估过程的合理 性,选择到更加符合实际应用的可投资项El。Delphi法确定 5结束语 本文的主要创新点:在分析公司研发项目风险特点 的基础上,提出了一套切实可行的公司研发项El的风险 评估指标体系;基于TOPSIS的定量评估方法,提出了一种跨 国公司研发项目风险评估方法。数据实例表明,本文方法是 可行的、正确的和有效的。 参考文献: [1] 周瑁,徐寅峰.企业间合作研发的发展趋势与动机分析[J]. 重庆大学学报,2002,8(5):27—29. [2] Yukio Miyata.An analysis of cooperative R&D in the Unites States [J].Technovation,1996,16(3):123—131. 权重系数步骤:①成立一个团体委员会确定问题及设计问 卷;②选择专家匿名征询并收集反馈结果;③专家征询与信 息反馈;(4)归纳统计结果,确定权重系数。按照Delphi法的 步骤获得本文27个评价指标的权重系数如表2所示。 本文实例的部分计算结果如表3所示。在表3中,第一 列表示8个待选项El的编号;第二列表示了每个项El距离理 想点的距离;第三列表示了每个项El距离负理想点的距离; 第四列表示了每个方案接近理想点的相对接近度。不难看 出,项El P7、P6和P3为相对接近度最大的3个待选项目,因 此这三个项目的整体风险相对较小,按照本文方法最终选出 的3个最优方案为Fr7、P6和P3。事实上,根据上海贝尔阿尔 卡特公司的最终决策,他们也是对待选研发项目Fr7、P6和 P3进行投资,并取得了非常丰厚的回报。实例结果表明,本 文方法是可行的、正确的和有效的。 表3本文实例的计算结果 [3]朱桂龙,彭有福.产学研合作创新网络组织模式及其运作机 制研究[J].软科学,2003,17(4):49—52. [4] Soon LL Ahn.A new program in cooperative research between aca- demia and indust ̄in orea,involving Centers of Excellence[J]. Technovation,1995,15(4):241—257. [5] 肖条军,盛昭瀚,陶向京.企业集团技术创新中非技术因素的 影响与对策[J].科研管理,2000,21(3):11—17. [6]Yukio Miyata.An economic analysis of cooperative R&D in Japan [J].Japan and the World Economy,1995,7:329—345. [7] 罗炜,唐元虎.企业合作创新的原因与动机企业合作创新的 原因[J],科学学研究,2001,19(3):91—95. [8]文岳东.企业技术创新的新趋势一一合作创新[J].探索与研 究,2003,8:50—53. _ [曹要邢生陈研文立,英主究钊宁武要方研(向1究986为0方3管一向理)为,男科管作学(理汉者与科)简工,学上程陕介与海;西] 工人西程,安博; 人士研,博究士生研,主究 一),男(汉),湖南益阳人,博士,教 授,博导,主要研究方向为管理科学与工程。 (上接第258页) 在电厂热工过程控制中的应用前景[J].中国电机工程学报, 2002,22(8):128—134. [5] 张法文.直流炉单元机组自动调节系统[M].北京:水利电力 出版社,1986. [6] 金建涛,王广军.基于Smith预估器的变论域模糊控制[J].计 算机仿真,2005,22(8):149—150. [2] J Park,I Wsandberg.Universal approximation using radilba-a sis2function networks[J].Neurl aComputation,1991,3(2):246 —257. [3]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京:电子工业出 版社,2004. [作者简介] 王垄(1980一),男(汉族),河南周121人,硕士研 究生,研究方向为热力系统的建模与仿真; [4] 何同祥,刘吉臻,牛广玉.Smith预估控制在过热汽温控制系 统中的应用[J].华北电力技术,1998.48—50. 王广军(1963一),男(汉族),黑龙江双城人,教授, 博士生导师,博士,主要从事热工过程智能控制和系 统仿真的教学与科研工作。 ...——293.--——