锅炉炉膛负压仿人智能控制毕业论文Word文件下载.docx
《锅炉炉膛负压仿人智能控制毕业论文Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锅炉炉膛负压仿人智能控制毕业论文Word文件下载.docx（49页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
附件一（开题报告）32
附件二（外文文献）38
1绪论
1.1课题背景及目的
电力工业是我国的国民经济发展的基础产业，在我国，电力生产主要以燃煤火力发电为主，但燃煤发电的直接污染较大，特别是SO2、NOX等有毒物质的排放。
其中，SO2的排放是造成酸雨的主要原因，为了通过炉内燃烧技术的改进，降低SO2、NOX排放量，我国从60年代起开始对循环流化床锅炉进行研究，并在90年代以后和外国公司联合研究并取得了较大有发展，现在循环流化床锅炉已发展成熟并在全国广泛应用。
保护环境，节约能源是各个国家长期发展首要考虑的问题，循环流化床锅炉正是基于这一点而发展起来，其高可靠性，高稳定性，高可利用率，最佳的环保特性以及广泛的燃料适应性，越来越受到广泛关注，完全适合我国国情及发展优势[1]。
循环流化床锅炉（CirculatingFluidizedBedBoiler,CFB）作为近年来在国际上发展起来的新一代高效、低污染清洁燃烧锅炉，具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣综合利用等优点，因此在电力、城市供热、工厂蒸汽生产中得到越来越广泛的应用。
但由于循环流化床锅炉的燃烧及汽水变化过程十分复杂，受影响的因素多，给煤、一、二次风，返料耦合性强，而且燃烧与汽水也存在复杂的耦合关系。
此外，过程的非线性和大滞后也使对象更加复杂，难于建立精确的数学模型，这样对控制就提出了更为严格的要求。
这包括两层意义：
一是控制系统要有很高的可靠性；
二是控制方案要有很好的控制实效。
基于这样两点，CFB锅炉一般都选择先进的DCS控制系统，特别是运用先进的控制方案能够实现锅炉燃烧的完全自控[2]。
1.2国内外研究状况
目前国内火力发电厂锅炉风机大部分采用拖动电动机，其中95％左右为交流异步电动机直接拖动，恒速运行。
随着电力经济的发展等，使电厂中的锅炉风机在运行中出现了裕量较大的问题，另外根据电网调峰的需要，机组长时间处于低负荷运行状态，使锅炉的送、吸风机长期处于低参数下运行，对厂用电率造成一定影响。
目前国内直属发电厂锅炉风机配备的电动机以1MW左右居多，大部分都是采用恒速运行，造成很大的浪费。
根据节能工作的要求，其中有个别发电厂已考虑或试用风机调速运行，解决目前风机运行中出现裕量过大的问题。
风机调速有几种方案，其中，应用最多的是变频器技术，或加装液力偶合器装置。
基于这样两点，CFB锅炉一般都选择先进的DCS控制系统，特别是运用先进的控制方案能够实现锅炉燃烧的完全自控。
随着我国的电力工业的不断发展，作为火电厂重要设备的锅炉己走向大型化，锅炉控制系统也日趋复杂。
系统的藕合性、时变性、非线性等特点显得更加突出，锅炉系统生产过程需要监视的内容也越来越多，过程控制的任务愈来愈重，锅炉系统的运行与操作要求更为严格。
早期在火电厂采用的人工控制或简单的仪表单回路调节系统己很难满足发电厂锅炉运行的要求。
生产自动化方式逐渐不能适应时代的发展，锅炉控制系统的自动化面临着严峻的挑战。
然而另一方面，计算机技术正在不断的发展、现代控制理论也在不断完善并应用。
将上述两项技术相结合的自动控制技术应用于火电厂锅炉燃烧控制系统中，将会有效地提高火电厂的自动化水平，满足锅炉工艺发展的要求。
安全可靠是机组运行的首要要求，特别是对大容量机组更是具有重要的意义。
随着机组容量的增大，热力系统越来越复杂，需要监视、控制的项目显著增多。
靠人来监视和操作，不仅劳动强度大，而且很难胜任，同时极易因误操作而造成事故，所以必须采用自动化仪表来完成监视和操作。
检测装置能把机组的运行状态随时报告给人和调节装置；
自动调节装置能简化操作步骤和减少操作数量，避免误操作；
保护装置能在机组运行发生异常或运行参数超过允许值时进行报警，避免、限制、处理事故。
因此，模糊控制系统的应用使锅炉运行的可靠性得到了进一步的提高。
在世界范围内，由于能源危机和剧烈的市场竞争，对节约能源和减少燃料消耗的要求不断提高，环境保护和文明生产的的呼声日益高涨。
对锅炉的控制系统进行优化，不但可以减少事故停机的损失和检修费用，还可以有效提高热效率，降低供电热耗和煤耗。
机组还可实现自启停，可缩短启停时间，因而使各种热损失及工质损失都大为减少。
通过采用自动装置和监控手段可以减少运行人员，有效地提高劳动生产率，因为在机组自启停阶段，不需要临时增加运行人员协助操作和抄表。
实现生产过程自动化，可使运行人员从繁忙的体力劳动和紧张的精神负担中解脱出来，值班员除在机组启停时有些操作外，正常运行时只需要在控制室内集中监视主设备及自动化仪表的运行情况[2]。
1.3研究的内容及要求
针对500t/hCFB炉膛负压控制要求，设计锅炉炉膛负压仿人智能控制系统，设计内容主要有：
1）.针对炉膛负压控制要求，设计炉膛负压控制系统总体方案。
2）.选择所需的控制设备，画出设备主要接线图。
3）.根据炉膛负压控制要求，设计仿人智能控制算法。
4）.设计实现控制任务的程序结构。
5）.利用MATLAB建立仿真模型，研究控制算法的性能，并与常规PID控制进行比较。
1.4设计难点及解决手段
设计重点：
1）.熟悉CFB锅炉工作原理，了解实际运行中炉膛负压控制的重要性。
2）.设计的炉膛负压控制方案要求合理可行。
3）.所选择的控制设备必须可靠性高，技术先进，最好列出具体生产厂家，型号等。
4）.根据控制要求设计的控制算法必须科学，列出详细设计及推导过程。
设计难点：
a.选择目前通用的开发语言平台，设计实现控制任务的程序结构框图。
b.利用MATLAB建立控制系统仿真模型，从稳定性，鲁棒性，抗干扰等方面研究所设计控制算法的控制效果如何，并与常规PID控制进行比较。
采用的手段：
设计以CFB锅炉炉膛负压为研究对象，通过对炉膛负压的调节，使炉膛负压控制在最佳压力范围，通过查阅相关资料结合自己所学知识，在老师的指导下设计出符合要求的炉膛负压控制系统总体方案，画出总体设计图，设计控制算法和控制过程程序结构，通过MATLAB仿真模型研究所设计控制算法的性能，得出其相对一般控制器的优势所在。
2仿人智能控制系统的原理及特点
2.1仿人智能控制的原理
2.1.1仿人智能控制的基本思路
传统的PID控制是一种反馈控制，存在着按偏差的比例、积分和微分三种控制作用。
比例：
偏差一产生，控制器就有控制作用，使被控量想偏差减小的方向器控制作用的强弱取决于比例系数Kp
积分：
它能对偏差进行记忆并积分，有利于消除静差，但作用太强，既会是控制的动态性能变差，以至使系统不稳定。
微分：
能敏感出偏差的变化趋势，To大可加快系统响应（使超调减小），使系统抑制干扰的能力降低。
下面来分析一下PID控制中的三种控制作用的是指以及他们的功能与人的控制思维的某种智能差异，从而看出控制规律的智能化发展趋势。
1）比例；
PID中实质是一种线性放大或缩小的作用，它类似于人的想象能力，可以把一个量想得大一些或小一些，但人的想象力是非线性的是变的，可根据情况灵活变化。
2）积分作用：
对偏差信号的记忆功能（积分），人脑的记忆功能是人类的一种基本智能，人脑的记忆是具有某种选择性的。
可以记住有用的信息，而遗忘无用或长时间的信息，而PID中的积分是不加选择的长期记忆，其中包括对控制不利的信息，同比PID中不加选择的积分作用缺乏智能性。
3）微分：
体现了信号的变化趋势，这种作用类似于人的预见性，但PID中的微分的预见性缺乏人的远见卓识，且对变化快的信号敏感，对变化慢的信号预见性差
仿人智能控制的基本思想是指：
在控制过程中利用计算机模拟人的控制行为能力，最大限度的识别和利用控制系统动态过程所提供的特征信息进行启发和直觉推理，从而实现对缺乏精确数学模型的对象进行有效的控制[4]。
2.1.2仿人智能行为的特征变量
对系统动态特征的模式识别，主要是对动态模式的分类，根据系统偏差e及偏差变化△e以及由它们相应的组合的特征变量来划分动态特征模式，通过这些特征模式刻画动态系统的动态行为特征，以便作为智能控制决策的依据。
图2.1系统的典型阶跃响应曲线
图2.1给出了一个系统的典型阶跃响应曲线，曲线上a,b,F三处的系统输出是一样的，但他们的动态特征是不同的，a处偏差将继续偏离平衡状态，b处偏差将回归平衡状态，F处偏差达到最大值。
为了更全面，更细致的刻画系统的动态特征，定义下列特征变量。
１）偏差en（en表示偏离的大小，称为离散数）
en=R—
2）偏差变化△en
△en=en--en-1
3）en△en（偏差及偏差变化之积）
偏差与偏差变化之积构成了一个新的描述系统动态过程的特征变量。
利用该特征变量的趋势是否大于0可以描述系统动态偏差变化的趋势，对应图2.1可得下表:
OA
AB
BC
CD
DE
en
>
<
△en
en△en
另外，当en△en<
0（BC,DE）表明系统的动态过程正向着偏差减小的。
方向变化，即偏差的绝对值逐渐减小；
当en△en>
0（AB,CD）表明系统的动态过程正向偏差增加的方向变化，即偏差的绝对值逐渐增大。
△en△en-1（相邻两次偏差变化之积）
△en-1=en-1--en-2
这个特征量表示了偏差出现的极值状态的特征量。
4）若△en△en-1<
0表示出现极值状态；
△en△en-1>
0表示无极值状态出现；
将△en△en-1与en△en联合使用，可以判别动态过程当偏差出现极值后的变化趋势，如B和C’点：
B点：
△en△en-1<
0,en△en>
0
C’点：
0,en△en<
在B点后偏差逐渐减小，而在C’点后偏差逐渐变大。
图2.2系统的典型阶跃响应曲线
5）|△e/e|（偏差变化的姿态）
这个特征量可以描述动态过程中偏差变化的姿态，
当|△e/e|大时，表明△e大，而e小或很小
当|△e/e|小时，表明e大，或△e很小
若β<
|△e/e|<
α,表明系统处于BC（或DE）中部一段，此时系统的动态过程是呈现偏差和偏差变化较大的姿态。
6）|△en/△en-1|
这个特征变量反映了偏差的局部变化趋势，也间接表示出前期控制效果，若此值大，表明前期控制效果不显著或不佳。
7）△（△en）
表明偏差变化的变化率，即二次差分，对于图1所示曲线：
图2.3系统的典型阶跃响应曲线
ABC段：
△（△en）>
0,处于超调段
CDE段：
△（△en）<
0,处于回调段
通过对上述特征变量的分析可知，特征变量是对系统动态特性的一种定性预定两性结合的描述，它体现了对人们思维的一种模拟。
2.2仿人智能控制与PID控制相结合
2.2.1PID控制的原理
常规的PID控制原理如图2.4所示：
这是一个典型的单位负反馈控制系统。
系统由PID控制器和被控对象组成
图2.4PID控制系统原理框图
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与输出值y（t）构成偏差：
e（t）---r（t）·
c（t）。
将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。
器控制规律为：
=
[
+
]
=
（2-1）
传递函数：
=
=K
+K
（2-2）
式中，K
为比例系数，Tr为积分常数，T
为微分时间常数：
=
为积分系数，K
T
为微分系数。
PID控制器各校正环节的作用如下：
比例控制：
即是成比例地反应控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，控制器
立即产生控制作用以减小误差。
当偏差e=0时，控制作用也为0。
因此，LV,例控制是基于偏差进行调节的，即有差调节。
积分控制：
能对误差进行记忆，主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Tl，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。
微分环节：
能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
从时间的角度讲，比例控制是针对系统当前误差进行控制，积分作用则针对系统误差的历史，而微分作用则反映了系统误差变化趋势，这三者的组合是“过去、现在、未来”的完美结合。
2.4.2仿人智能PID控制器
为了进一步模仿人的预见性，仿人智能控制器在基本的控制算法上可以进行改进，一种改进是根据误差E的大小不同改变比例增益系数
。
：
另外一种改进是将比例控制模态改为PID控制模态。
仿人智能PID控制器仍采用比例、积分和微分控制功能实现。
依据动态过程的特征信息，智能地选择或组合PID的控制方案。
1）分段处理：
系统由静态向动态过渡过程中，由于其惯性的存在，决定了这一段过程只能呈倾斜上升。
为了获得好的过渡过程，即快的响应速度、较小的超调量，将动态过程分为过渡过程和跟踪过程。
在过渡过程中采用变增益的方式，使系统输出上升接近稳态而存在误差e时，比例控制作用要降低使系统借助于惯性继续上升，即有利于较小超调而又不至于影响上升时间，小于误差e后采用正常的处理方案。
两个过程的切换由误差的大小确定：
│e（k）│>
e过渡过程
│e（k）│≤e正常跟踪程序
2）误差变化趋势：
实现仿人控制首先要确定误差变化趋势。
可以利用误差误差变化趋势的乘积作为系统动态过程的特征量。
图2.5偏差e（t）及其积分曲线i（t）
在图2.5积分曲线的（c，d）段，积分作用增加一个正量的控制有利于减小输出的回调。
但在（d，e）区间积分作用继续加强，其结果势必造成系统再次出现超调，这时的积分作用对系统的有效控制帮了倒忙。
在控制系统中引入积分控制作用是减小系统稳态偏差的重要途径。
在常规PID控制中，积分作用对偏差的积分过程在一定程度上模拟了人的记忆特性，记忆了偏差的存在及其变化的全部信息。
但它有以下几个缺点：
1）．积分控制作用对积分过程选择的针对性不强；
2）．只要偏差存在，就一直进行积分，容易造成“积分饱和”：
3）．积分参数不易选择，选用不当会造成系统出现振荡。
造成上述积分控制作用不佳的原因在于：
它没有很好地体现出有经验的操作人员的控制决策思想。
在图3．2的积分曲线区间（a，b）和（b，c）中，积分作用和有经验的操作人员的控制作用相反。
此时系统出现了超调。
正确的控制策略应该是使控制量在常值上加一个负量控制，以压低超调，尽快减少偏差。
但在此区间的积分控制作用却增加了一个正量控制。
这是由于在（0，a）区间的积分结果很难被抵消而改变符号，故积分控制量仍保持为正。
这样的结果导致系统超调不能迅速降低，从而延长了系统的过渡过程时间。
仿人智能P1D控制器由比例和积分组成，其系数由控制规则提供：
另外，在判断条件中用上误差的差分，因此，它也含有对误差微分的作用，故仍称之为PID控制器，其结构框图如下：
图2.6仿人智能PID结构框图
从误差e和误差的变化△P这两个基本的模糊控制变量出发，引入其它的特征变量，以便从动态过程中获取更多的特征信息，进而利用这些信息更好地设计仿人智能控制器。
2.3仿人智能控制系统的设计方法
2.3.1被控对象的“类等效”简化模型
具有可调参数的控制系统数学模型简化理论表明，尽管在许多情况下被控对象的全特性不确知，但其所具有的非线性，时变性和不确定性对控制的影响总可以用一些典型的非线性环节加上被控对象的“类等效”的简化线性模型，在结构和参数上的变化来近似模拟。
根据对被控对象的定性了解，建立起对象的结构模型，并根据对某些反映被控对象动态特性的主要特征量的模糊估计确定对象模型结构和参数可能变化的大致范围[7]。
设一个带有纯滞后环节的高阶线性动态系统的传递函数形式为：
G（s）=
τ（2-3-1）
则描述系统动态特性的时域和频域的主要特征量有：
增益（Gain）K：
表示系统对零频（直流）输入信号的放大能力，决定了稳定系统系统域中单位阶跃响应的稳态值，即K=
（2-3-2）
纯滞后τ：
表示系统对输入信号的不应期。
等效时滞：
表示系统对输入信号的滞后特性，由下述积分定义表示
D=
（2-3-3）
式中：
u（t）为单位阶跃输入函数，g（t）为G（s）的单位阶跃响应。
D是系统中所有滞后（积分）因素和所有超前（微分）因素之差，其与传递函数的关系为
D=b
-
（2-3-4）
等效支配极点：
确定系统的基本性状（单调，振荡，稳定或不稳定）。
主要频率响应数据（带宽频率，截止频率，穿越频率，转角频率及相应的相位角）：
反映系统对不同频率信号的通过能力，以及系统的相对稳定性。
被控对象的“类等效”简化模型应该在增益，纯滞后，等效时滞，等支配极点和某些主要频率响应数据上与对象一致。
因此，“类等效”简化模型最大的特点是，它在反映对象主要动态特性的一些主要特征量上与实际对象一致。
2.3.2被控对象的模型处理
根据系统“类等效”模型的定义，可以通过对被控对象的定性了解，建立起对象的结构模型，并根据对主要特征量（如某些非线性特征，纯滞后，等效时滞和增益等）的模糊估计，可以确定对象模型结构和参数可能变化的大致范围。
例如：
具有纯滞后的过程对象和具有非线性环节的伺服对象，可以对被控对象做如下处理
带纯滞后过程对象
（2-3-5）
带非线性环节伺服对象
（2-3-6）
仿人智能控制器具有多种控制模态（变结构，多参数）和分层递阶（运行控制，参数校正，任务适应）的控制结构，因而有非常强的鲁棒性和适应性。
仿人智能控制器的设计就是要确定其结构和参数。
式（2-3-5）中5个参数变化的范围可以在相当程度上模拟一类具有纯滞后的过程对象，式（2-3-6）中3个参数变化的范围则可以在相当程度上模拟一类带典型非线性环节的伺服对象。
仿人智能控制器设计的任务就是采用尽可能简单的结构和尽可能少的控制模态和参数，能够在以上对象模型参数变化的范围内，都能达到控制指标的要求。
可以说这样的模型处理解决了在没有对象准确数学模型的条件下的仿人智能控制器设计时的对象模型问题[7]。
2.4仿人智能控制算法研究
2.4.1仿人比例控制算法
仿人比例控制系统如下图2.7所示：
图中积分开关只有在满足稳定输出时才闭合一次，完成
运行后又立即断开，此后
不变。
图2.7仿人比例控制
为了判断系统处于稳定状态而不受干扰和扰动的影响，给出如下判据：
系统处于稳定的充分条件是存在一个ko使得ko≤k≤ko+N时,
|e（k）-e（k-1）|<
δ（2-4-1）
或者以连续N满足|e（k）-e（k-1）|<
δ作为判稳条件。
为实现仿人比例控制方法,可采用如下产生式规则描述：
IF
THEN（2-4-2）
（2-4-3）
常数δ取系统允许稳定差的1.5—2倍。
N与对象的时间常数P和纯滞后τ有关。
设采样时间为T，则N∝（P/T+τ/T）。
上述控制算法实质上等价于比例控制加智能积分。
（未满足条件仅起比例作用，稳定条件满足积分起一次作用）。
上述的仿人比例控制算法=比例+智能积分，有效地解决了传统控制器设计中稳态精度与稳态误差的矛盾。
2.4.2仿人积分控制算法
在控制系统中引入积分控制作用是减小系统稳态偏差的重要途径，在常规PID控制中，其积分是对时间轴上的所有数据的全时效积分，即记忆了偏差的存在及其变化的全部信息，它有以下几个缺点：
1）积分控制作用针对性弱
2）只要偏差存在，积分就起作用，易于引起积分饱和现象
3）积分参数选择不当即易造成系统的振荡
它没有很好的体现有经验的操作人员的控决策思想。
下图给出了系统PID中的积分和人类积分的响应曲线。
图8
图2.8偏差与积分
对ab和bc段而言：
在ab段已出现超调，正确的作用是使控制量在常志上加一个负量控制以压低超调尽快减小偏差，但是PID中控制量还是正的，这是因为oa积分作用过大，ab是负积分难以抵消oa的影响，故积分控制量仍是正值。
从而导致超调不能迅速降低，延长系统的过渡时间。
为克服上述积分控制作用的缺点，采用第二种积分作用，即在（a,b）（c,d）（e,f）等区间中积分，这时的积分能为积分控制作用及时给出正确的积分控制量，能有效的抑制系统误差的增加，而在（o,a）（b,c）（d,e）区间上停止积分作用，只利用系统借助于惯性向稳态过渡，而此时系统并不失控，它还受到比例等控制作用的抑制。
根据前面的分析，可以得到引入智能积分的判断条件为：
当e△e>
0时，对偏差进行积分；
当e△e<
0时，不对偏差进行积分。
在考虑到偏差及偏差变化的极值点的情况，可把引入积分和不引入积分的条件综合如下：
1）ife△e>
0or（△e=0ande≠0）then积分
2）ife△e<
0ore=0then不积分
这样引入的积分即为智能积分作用，下图8为具有智能积分的控制系统结构图2.9。
图2.9具有智能控制积分控制的控制系统
2.4.3仿人智能控制器算法模型
仿人智能控制器基本的控制算法模型如下:
选择描述系统动态特性的特征模型φ为
（2-4-4）
选择决策与控制模式Ψ为
Ψ={Ψ1,Ψ2}
（2-4-5）
式中,u为控制器的输出;
Kp为控制器的增益系数;
K为控制器的保持系数;
u0（n）为u的第n次保持值;
E为系统的偏差;
E为偏差的变化率;
Em,i为第i个极值。
启发式与直觉推理规则,即产生式规则Ω为:
（2-4-6）
于是推理决策过程
升级会员 