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电厂热工系统智能控制:新算法与应用改进
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更新于2024-07-02
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本篇论文深入探讨了"人工智人-家居设计"领域中电厂热工系统建模与先进智能控制的应用研究。论文聚焦于当前传统DMC(Direct Matrix Control)算法在复杂家居环境及电厂热工系统中的局限性。作者分析了为何原始DMC算法不适用于这些对象,并提出了一种创新的方法,通过转换Shirring矩阵的形式,扩展了其应用范围。与非自调节过程中的其他算法相比,提出的算法在实践性上有所增强。 通过模拟和实际电厂锅炉水平系统的应用验证,该算法的有效性得到了证实。论文着重介绍了一种新的Smith预测器设计,它结合了模糊自调谐和基于Matlab反馈自动调谐技术,旨在解决传统Smith预测器手动调整困难且对过程参数变化敏感的问题。新系统在多种典型热力发电厂锅炉复杂控制系统下的仿真模型上进行了测试,结果显示其在控制性能上显著优于传统系统,特别是在处理存在死时滞和高阶过程时表现出优越性。 这一创新性方案不仅适用于那些死时滞显著的过程,而且对于高阶动态系统也展现出强大的适应性。整体而言,这篇论文不仅提供了对人工智能在家居设计中的新视角,还为提高工业过程控制的智能化和自动化水平提供了实用的策略和技术支持。通过这一研究,我们看到了人工智能如何在提升能源效率和用户体验方面发挥关键作用,以及未来可能引领的家居和能源行业的变革。
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,一一第一章火电机衄l杂热工曩麓控似与建模应用研竞的生晨与晨曩博士后出站报告
精深和强大功能的计算,设计要具备完备的对象频率特性信息以及线性模型。
鲁棒控制理论为我们提供了系统化设计模型不确定对象最佳控制嚣的理论框架,揭示了用一范
数度量系统性能比传统的2范数(ISE)更接近于实际需要的规律t因而比基于精确数学模型的现代
控制理论更适合于实际应用。但就目前鲁棒控制设计方法在动力机组控制系统中的研究状况来看,
还存在以下的问题需要解决:(1)鲁棒控制设计方法虽是针对对象模型不确定性提出来的.但设计
仍需要控制对象的相对准确的数学模型,并且模型中应包括对象建模中存在的非结构不确定性甚至
结构不确定性的详细描述.以减少设计的保守性:(2)设计由于考虑了模型的不确定性,所以得到
的控制器的结构和阶次依赖于控制对象的结构和阶次,复杂的控制对象就会导致控制器具有过高的
阶次。因此实际应用时需要考虑模型或控制器的降阶和简化。(3)LQG/LTR方法设计的控制器常需
要过高的增益,因而达到同样的控制效果需要较大的控制输入,这容易使控制量产生饱和进而影响
控制质量;p综合方法可以利用结构奇异值(SSV)得到保守性较小的设计.但这个过程有两个缺
点:一是SSV的计算比较繁琐,二是得到的结论不是用具有工程意义的系统灵敏度函数和余灵敏度
函数的简单函数来表示的;(4)鲁棒控制设计方法不能直接完成时滞对象的控制器设计。
尽管控制系统理论已获得长足的发展,先进控制方案实际应用于火电动力机组的实例仍非常少
见。这在很大程度上归因于先进控制方案在l}I下实际要求条件下难以保证机组运行良好:实时性能、
大范围运行能力、高维和复杂过程动态,或者因为这些方案成立的假设条件例如高斯分布型噪声、
固定不变的过程参数、正确且精确的测量以及过程动态的充分了解等在实际中难以满足。
大多数先进控制方法的主要缺陷在于要求用于设计和运行的系统数学模型必须精确.而动力机
组的高维和复杂性使得基于全工况精确数学模型的集中控制方案难以实现。另一方面这种情况也造
成了大多数机组至今仍在继续沿用基于PID算法的多回路分散控制方案的局面。
1.3.3智能控制方法与应用研究现状
电厂控制的复杂控制目标和任务以及控制对象动态特性的不确定性、非线性等特征.使得传统
的基于对象精确数学模型的控制方法的应用受到限制。就在常规控制理论面临复杂生产过程的挑战
的时候,人们在工程实殴中发现这些复杂过程却可出熟练的擐作人员通过在实践中不断学习、积累
经验而达到有效的控制,这使人们逐渐意识到在传统控制中加入逻辑推理和启发式知识的重要性。
与此同时人工智能由于计算机科学技术的迅速发展而形成-f]学科。这些发展和思想促进了智能控
制理论的诞生.智能控制作为新兴的边缘交叉学科.目前对智能控制系统尚未统一的定义,然面对
它的基本特征却可加以描述,IEEE控制系统学会在文献【44】中描述为:“智能控制系统必须具有适应
能力以应付变化的环境和条件,但如果要能适应较大的不可预测的变化,系统还必须具有学习能力:
系统应具有在不确定环境中的自主能力,以最终实现自行设定并达到控制目标:为有效处理复杂性,
系统应具存分级分层的功能结构.”这显然对控制系统的设计提出了较高的要求,也为控制理论的
发展指明了方向.。在电厂控翻研究领域.目前关于智能控错的实际应用的报导虽然较少,但在各种
国际会议和杂志中发表文献【4习【46】【47】的日益增多表明了电厂控制系统研究的发展趋势。
智能控制中“智能”的通常用法适用于那些采用模糊逻辑、专家系统或神经网络及其他智能
方法的控制系统,它通常表示具有下列特征的控制器:
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,,
+
JIg¨lt火电机蛆复杂蠢工墓兢拉删与成辏应用研竞的鬟晨与晨卫博士后出站报告
(1)除了采用数值计算方法,还使用逻辑、排序、推理或启发式方法的控制器【481;
(2)本质上是一种自治程度范围比常规控制器更宽广的非线性控制器[49】;
(3)为实现其更广泛的功能。它依赖于模仿那些设想在人类或生物系统中起作用的行为模式所
表现出来的形式以及决策方法步骤【50】。
1.3.3.1专家控制
传统的自动控制学科从经典控制理论发展到现代控制理论.并出现了自适应控制等先进控制技
术,取得了巨大的进展。这些进展主要源于数学分析和数值计算中的理论和技术。传统控制理论过
分依赖对象或过程的严格数学模型,试图根据精确模型来获得最优的控制效果。但许多生产过程特
别是大型火电机组这类复杂工业过程难以或无法建立这种模型,因此限制了传统控制的有效应用。
而对于这些复杂过程。操作人员凭借经验和知识技巧、直觉推理等智能行为却可以轻易地实现控制
目标.这给人们提供了一种启示和契机。八十年代初人工智能的专家系统技术的广泛应用为这种契
机提供了实现的可能性,于是将专家系统的设计规范和运行机制与传统控制理论和技术相结台。导
致了专家控制这种基于知识的实时控制系统设计和实现方法。
从工程应用角度讨论专家控制系统的结构,有两类专家控制系统:直接专家控制和间接专家控
制。在直接专家控制系统中,领域专家的控制知识和经验被用来直接控制生产过程,常规的控制器
被一个模拟人类操作者操纵功能的实时专家系统所取代,此专家系统必须在每一个采样时刻直接给
出控制信号作用于被控过程。间接专家控制也称为专家监督控制,在系统中有一个常规的控制器直
接控制着过程,各种商层监督决策的控制知识和经验被用来对常规控制器进行调整,从而间接地影
响被控过程。这里的调整可以是控制结构的切换或控制器参数的校正。
圈1.5一种专辜式控箭器的结耗圈
在直接专家控制系统中有一类结构相对简单的系统,其控制器常称为专家式控制器,这类系统
在工业过程中已获缛了应用舻l】f52】f531.并且已提出了多种不同的实现结构【53】【54】【55】,图1.5是
其中一种系统的控制结构,在此结构中专家式控制器的基础是知识库,它由数据库和学习与适应装
置组成.其中数据库主要存储经验和事实数据,
内容进行补充和修改。以适应新的工况和环境,
学习与适应装置根据在线获取的信息,对知识库的
并改进系统性能。控制规则集则是对过程的各种控
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t∥芦^0∥、彳’
第一章火t机簟l索蠡工秉麓控删与建撬应用研究的l晨与晨卫博士后出站报眚
制模式和经验的归纳和总结;推理机构常采用前向推理的簧略选用推理规则进行决策-特征识别与
信息处理模块实现对信息的提取加工,为控制决镱和学习适应提供依据,过程或环境的特征信息是
描述系统运行状态和环境特征的一些量,可以由实时获得的信息经过运算处理抽取·其中的信息处
理还可能包括采用近年来发展起来的信息融合技术f56】对多传感器信息进行综合处理。
设专家式控制器的输入集合E=(r’e,y’u)’S为特征信息输出集合,K为经验知识集台,G为规
则修改命令集合,I为推理机构的输出集合,u为专家式控制器的输出集合.则控制器的非传统模型
可表示为:
U=,(E,K,,)
式中/是一种智能算子。它为g、^和p这三个智能算子的复合运算。其中g:£_s,h:S×K
_』,P:,_+U,g、^和P的运算的简单形式为
IF一7HEdV
B
式中A为相应集合数据项表示的前提条件,B为相应集台数据项表示的定性或定量的运算结果
或为一个子规则集合。
专家控制的出现,从根本上改变了控制系统设计中单纯依靠传统数学模型的局面。它使知识模
型与传统数学模型相结合,知识信息处理技术与控制技术相结合.符号推理与数值运算相结合。将
熟练操作人员或工程师积累的丰富生产操作现场经验知识与各种核心算法灵活地集成起来,极大地
扩展了传统控制的功能,例如
(1)可以模仿人类控制专家的行为,对各种核心算法自动修改参数或结构,形成综台的算法对
付复杂过程的大滞后、大惯性或不确定性干扰;
(2)可以处理非数字的和不精确的、只有用定性或部分定量的形式才能清楚地表达的经验信息
或知识,以降低对象或环境不确定性造成的影响,保证控制方法能够可靠和优化地实现复杂系统更
高的控制目标和要求;
(3)当系统出现故障、工况变化剧烈或出现突发事件时.仍能够迅速自主地按“安全一品质一
效率”多目标准则f57】有效控制,将人工干预减小判最低程度.
由于人们对电厂大型动力杌组局部系统的生产操作和控耐积鬃了丰富经验知识【58】[59】,专家控
制的方法首先在机组局部控制系统中进行了研究或获得了应用。
文【60】针对火电厂机组关键辅机设各磨煤机的复杂运彳亍问题,采用Bailey
Infi.90
DCS软硬幸牛系
统,首先运用文【6l】研发的磨煤机数学模型和集成了磨煤机运行专家经验的专家系统设计了基于知识
的智能运行员支援系统.主要用于当机组制粉系统发生不正常过程事件时,通过不可测变量或工况
状态的在线推理估计,实现磨煤机运行性能的预测及故障诊断与预报:并分析问题的原因和向运行
人员和过程工程师发出不同级别的报警,同时按优先级的顺譬在显示屏上显示包含有问题可能发生
的原因分析结果t并对捧除故簿的可获得的方法和处理步骤提出指导性的建议.为使系统能对所有
的不正常事件在线地起作用,采用分层的其有分支树结构的知识库,避免建立庞大的知识库,从而
改进了系统的搜索效率,降低了计算负担。经过在线试验验证后,又将系统的功能扩展,使其可与
已有的磨煤机直接控制系统相结合.在常规控制系统不能满意的工况提供总体范围上的监督和直接
控制功能.此时系统将对机组燃料需求、每台磨煤机的状态和动态性能进行监视,对磨身蝤制艟力
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“.。“。,‘矗
第一章火电机锺鼻杂热工曩兢拉制与璁模应用研究的基晨与晨置博士后出站报眚
进行评价,依据磨在线动态磨制能力与运行性能自动地对投入运行的每台磨的出力分配系数进行动
态调整:系统还对为满足机组所需要的燃料量而必须投入的磨煤机的合理数目进行控制,综合可获
得的所有过程信息,提供在最佳煤磨制控制、储备的磨煤机磨制处理以及磨煤机维护等互相冲突的
控制目标之间做出最优的控制决策。仿真结果表明上述基于知识的磨煤机运行员支援与直接控制专
家系统不仅可减少不必要的磨快速减负荷(Runback),而且能改进磨煤机磨制效率和机组负荷跟随能
力LFC,提供了许多常规控制系统难以实现的控制功能。
钢球磨中储式制粉系统是300MW以下机组普遍采用的重要设备,长期以来只能依靠手动运行。
主要原因在于它是一个存在强耦合的非线性时变系统,同时具有运行工况复杂多变的特点.文[s7]1:62】
首先用理论分析方法建立了其动态非线性数学模型.结合我国200MW机组钢球磨中储式制粉系统
设计了具有三级结构的自动控制系统,基础控制级采用解耦控制算法负责回路的直接控制;协调控
制级根据工况变化修改底层回路的设定值,并对基础控制级参数进行自适应调整:管理决镱级采用
基于黑板模型实现的间接式专家控制系统,直接对运行工况进行辨识,按照“安全一晶质一效益”
的决策准则决定系统整体控制策略,对整个制粉系统生产过程进行统一管理.该控制系统在美国
Foxboro公司FA
Series
DCS软硬件系统平台上得以实现,并在锦州东港电力有限公司的200MW机
组钢球磨中储式制粉系统上进行了工程实施.现场运行结果表明该系统能适应大范围的工况变化,
在复杂的运行工况下仍能保证制粉系统安全、稳定、可靠及经济运行,成功地解决了该机组制粉系
统的自动控制问题,取褥了令人满意的控制效果.
专家控制的方法也在机组整体控制系统中进行了尝试。在文献【63】中提出了一种机组控制结构
(例如炉跟机、机跟炉和机炉协调控制等)可再配置的控制系统。系统的这种监控功能通过协同工
作的四个专家系统在线实现。第一个专家系统负责辨识帆组的运行状态和要求,第二个专家系统用
来评价正在运行的控制方案的性能,第三个专家系统则对可供选择的其它控制结构在当前条件下的
控制系统作出评价,根据这三个系统的决策信息最终由第四个专家系统决定哪一种控制方案最适合
当前工况.然后在操作人员允许的情况下切换到这个最佳方案。这种系统设计在采用全工况动力机
组模型进行控制软件开发和评价的仿真实验装置上成功地得以实现.
1.3.3.2模糊控制
尽管基于知识的专家控制在对传统控制器的监督功能方面具有优势,相比而言,模糊控制器却
既能用于监督控制,又能用于回路控制。模糊控制器中的控制规律的形成可被看作是一种状态反馈
的结果,这种状态反馈给出以用状态表示的模糊变量表达的控制信号.在模糊控制嚣中通常假设所
有的状态变量都能以语言变量的形式获得1431。这种观点表征了模糊控制器必须完成的三项任务:
(1)模糊化用来将离散时间被铡变量转换成语盲变量.模糊化可视为是一种量化过程,在确定
一个被测信号值的过程中,隶属度函数用来定义它归属于每个量化等级的大小程度.
(2)模糊推理通过一系列作用子被测变量语言描述的。伊…7HEN…”瓶刚,产生控蒂i信
号的语言描述。这一步引入了控制规律中的启发式逻辑。
(3)反模糊化用来将控制信号的语言描述转换成相应的执行器所能使用的数值信号。它是一种
建立在量化描述及其隶属度函数基础上的加权平均模糊判决操作。
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。
第一事火电机曩复杂热工基蟪擅棚与建橇直用研究的薯晨与展望博士后出站报音
由上述可知模糊控制器试图利用只有用规则形式才能够明确表达的知识·这些规则的组成部分
(前提和结论)中通常包含只能用几个经过量化的语言描述表达的值(例如“正大”、“正中”或“正
小”等等),再者由上述应当明确虽然模糊控制本质上是一种基于规则的控制规律-但它并不存在专
家控制器那种脆弱、不可靠的缺陷,这主要应归因于模糊控制采用了形式他的严格规定的经过盘化
的语言描述。
上述基于数学模型的控制系统设计方法虽然在处理实际工程问题时取得了不同程度的成功-但
面对复杂、时变和具有多种不确定性的受控对象和环境,却难以设计出结构简单而有效的控制器。
而在这种情况下有经验的操作人员或专家却能够凭借实践积累的技能和知识,对这类过程实现有效
阿控制。‘模糊集理论【64】f65】正是由于提供了将人类专家的控制经验(用语言表达的、定性的和具有
不精确性的控制规则、关于对象的先验信息以及性能指标判据)定量化的有效工具,才使得基于这
种理论设计的模糊控制嚣能够模拟人的思维方式和利用人的控制经验,成功地解决工程实践中大量
的常规控制方法难以解决的复杂、不确定性系统的控制闯题【66】.将模糊控制技术应用于电厂单元机
组局部控制系统的研究也已有许多尝试【67】娜1【69】,并取得了优于常规PID控制器性能的研究结果。
但这些研究所采用的模糊控制器设计方法尚缺乏系统性,控制规则的提取过分依赖于现场操作,比
例因子的整定多采用试凑法.这对复杂系统的控制是难以奏效的。对现有模糊控制器设计方法改进
的一条途径是研究基于模糊模型的模糊控制器设计方法【70】;另一条重要途径是采用经典控制理论成
熟的分析设计方法研究模糊控制器的解析结构,以揭示模糊控制器在非线性、时变和时滞控制系统
应用中比线性FID控制器优越的机理【7l】,同时也提供根据它们之问的增益关系来解析设计模糊控制
系统并确保其稳定性的一种方法。另外从更广泛的意义说,注意把模糊控制器的优势和工业控制中
广泛采用的PID控制器的优点结台起来,作粼E势互补,是推动模糊控制技术在复杂工业过程中的
应用和提高控制系统性鸵的一种较好的方法。
1.3.3.3神经控制
人工神经元网络研究的最初目的是为了模仿人或动物脑神经的活动,并力图建立这种运动的数
学模型,同时探索和提出人脑储存、处理和搜索信息等活动的实际工佧机制。但如果仅仅把研究限
制在这个范围内,就不会导致它在工程应用领域获得长足的发展。它所引出的经验学习方法以及通
过在一组基函数基础上展开而实现任意非线性函数逼近的见解。给复杂系统的建模带来了一种新的、
非传统的表达工具,降低了不确定性,增加了控制系统适应环境变化的泛化能力,极大地促进了神
经元艇络在过程控制以下方面的广泛应用:(1)数据校正;(2)过程运行的评价与优化;(3)生产
质量的推理测量或软测量:(4)故障诊断;(5)状态估计:(6)过程辨识:(7)模式识羚j。由于大
量神经元之阃广泛连接,即使有少量单元或连接损坏.也不影响系统的箍体功能,使其表现出很强
的鲁棒性和容错性{采用并行分布处理方法,使得快速进行大量运算成为可能.神经元网络的这些
特点显示了它在解决高度非线性和严重不确定性系统的控制方面的巨大潜力。它的引入已产生了与
之相关的多种混台智能控制方法f72】。
然而经过1989年前后出现的研究高潮以后,单纯使用神经网络的辨识与控制方法的研究目前已
有停滞不前的趋势。究其原因,主要是因为:(1)近年来神经网络本身的研究,如罔型、连结的机
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