神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識PID控制器在直流爐中間點溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用

1 引言

眾所周知，過熱蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度直接影響到機組的安全性與經(jīng)濟性。蒸汽溫度過高可能導(dǎo)致受熱面超溫爆管，而蒸汽溫度過低將使機組的經(jīng)濟性降低，嚴(yán)重時可能使汽輪機產(chǎn)生水沖擊。臨界直流鍋爐的運行調(diào)節(jié)特性有別于汽包爐，給水控制與汽溫調(diào)節(jié)的配合更為密切。

本文設(shè)計了以串級調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)，對汽溫對象進(jìn)行系統(tǒng)辨識，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，并加入中間點溫度作為前饋信號的控制方案，并利用單純形法對PID參數(shù)尋優(yōu)，用以檢驗智能算法在控制系統(tǒng)中應(yīng)用的有效性。直流爐中間點溫度是一個非常重要的參數(shù)，是燃水比是否恰當(dāng)?shù)囊罁?jù)。由于兩級噴水減溫的控制基本相同，因此本文只以一級噴水減溫為例來說明所設(shè)計的系統(tǒng)。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的Matlab數(shù)字仿真

2.1 系統(tǒng)辯識

在訓(xùn)練參數(shù)給定的情況下，改變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層個數(shù)以及各層神經(jīng)元個數(shù)，經(jīng)訓(xùn)練均可得到不同的網(wǎng)絡(luò)，但其擬合訓(xùn)練數(shù)據(jù)的能力不同。依據(jù)各網(wǎng)絡(luò)的擬合性能指標(biāo)，選取擬合效果最佳的具有兩個隱層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來代替實際的廣義被控對象。該網(wǎng)絡(luò)的兩隱層激活函數(shù)均采用Sigmoid型（S型）函數(shù)，輸出層采用purelin線性激活函數(shù)，各層的神經(jīng)元個數(shù)分別為[3,3,10,1].這樣所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有最好的控制效果。圖2-1-2給出了此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下基于trainbr訓(xùn)練的誤差變化曲線。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是：維學(xué)普遍認(rèn)為，人類大腦的思維分為抽象（邏輯）思維、形象（直觀）思維和靈感（頓悟）思維三種基本方式。邏輯性的思維是指根據(jù)邏輯規(guī)則進(jìn)行推理的過程；它先將信息化成概念，并用符號表示，然后，根據(jù)符號運算按串行模式進(jìn)行邏輯推理；這一過程可以寫成串行的指令，讓計算機執(zhí)行。然而，直觀性的思維是將分布式存儲的信息綜合起來，結(jié)果是忽然間產(chǎn)生想法或解決問題的辦法。

訓(xùn)練后期，SSE值基本保持不變，這說明該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)接近收斂了。

2.2 PID參數(shù)優(yōu)化

PID（PacketIDdentifier）在數(shù)字電視復(fù)用系統(tǒng)中它的作用好比一份文件的文件名，我們可以稱它為"標(biāo)志碼傳輸包"工程控制和數(shù)學(xué)物理方面PID（比例積分微分）英文全稱為ProportionIntegrationDifferentiation,它是一個數(shù)學(xué)物理術(shù)語。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器（intelligentregulator），其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。

在由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將對象的特性和模型辨識出來以后，我們用單純形法對PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)采用改進(jìn)后的綜合目標(biāo)函數(shù)，得到的結(jié)果如圖2-2-1:（優(yōu)化效果較好）

圖2-1-2 基于trainbr訓(xùn)練的誤差變化曲線

圖2-2-1 單純形法優(yōu)化結(jié)果

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典PID控制的對比

將該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器與經(jīng)典的PID控制器作比較，用MATLAB對其進(jìn)行仿真，仿真曲線如圖2-3-1,2-3-2,2-3-3所示。圖2-3-1,2-3-2,2-3-3中，曲線1為內(nèi)、外回路的控制器均采用PID控制器的仿真曲線；曲線 2 為內(nèi)回路控制器采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、外回路控制器采用PID控制器的仿真曲線。綜上所示，對于主汽溫系統(tǒng)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識的自整定PID控制器的串級控制，其超調(diào)量較小，過渡時間小，穩(wěn)態(tài)精度高，而對于系統(tǒng)參數(shù)變化具有較強的適應(yīng)能力。

圖2-3-1 加階躍輸入（r=1）時的響應(yīng)曲線

圖2-3-2 加階躍輸入（r=1）時的響應(yīng)曲線

圖2-3-3 對象參數(shù)變化時的響應(yīng)曲線

3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識的PID溫度控制控制仿真實驗

3.1實物仿真實驗

PID 控制器是一個在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進(jìn)行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復(fù)的情況下，一個PID反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

通過仿真，可以得知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制器的性能要優(yōu)于常規(guī) PID 控制器，為了進(jìn)一步驗證這一點，本文采用了實驗模擬這一方法來進(jìn)行檢驗。在實驗中采用了由電阻爐加熱的水溫控制系統(tǒng)來進(jìn)行了模擬，實驗系統(tǒng)如圖3-1所示。針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制器的控制效果以及抗擾動和魯棒性能，結(jié)合硬件和軟件的設(shè)計，實驗內(nèi)容著眼點集中在：（1）不同控制周期對于溫度控制的影響；（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制器的階躍響應(yīng)；（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制器的抗擾動以及對被控對象的魯棒性；（4）PID控制參數(shù)的在線整定。

圖3-1 實驗系統(tǒng)設(shè)計圖

3.2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的主要硬件組成：

（1）電源部分利用變壓器將外界交流220V電壓變?yōu)?.5V,再利用整流橋將其整流為直流+5V電壓，供給單片機及系統(tǒng)使用。

（2）主芯片部分采用AT89S51芯片，它是一個有4 kBFlash可編程、可擦除只讀存儲器（E2PROM）的低壓、高性能8位單片機。

（3）溫度檢測采用DS18B20傳感器，DS18B20僅有3個引腳，采用1-wire技術(shù)，測量溫度范圍為 -55°C~+125°C,精度最高可達(dá)12位（0.0625度）。從DS18B20的數(shù)據(jù)引腳輸出的是直接已經(jīng)轉(zhuǎn)化后的溫度數(shù)字信號，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

（4）鍵盤部分用三個按鍵實現(xiàn)操作，一個按鍵實現(xiàn)設(shè)定溫度與實際溫度的切換，另外兩個按鍵實現(xiàn)是定溫度時增加和減少設(shè)定值。上電后LED顯示當(dāng)前溫度，按下切換鍵后即可進(jìn)行溫度設(shè)定，再次按下切換鍵可返回到當(dāng)前溫度顯示。

（5）顯示部分利用74HC164將一位輸入變?yōu)?位并行輸出并送到LED進(jìn)行顯示。

（6）本系統(tǒng)利用MAX232芯片與上位機進(jìn)行通信。

（7）輸出部分采用固態(tài)繼電器將單片機+5V輸出轉(zhuǎn)換位為20V交流輸出以控制電爐的通斷，從而達(dá)到控制水溫的目的。

3.3 軟件設(shè)計

這個實驗裝置以AT89S51為核心，AT89S51單片機模糊控制系統(tǒng)要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、溫度控制及串行通信等功能。整個溫度控制系統(tǒng)程序可劃分為以下幾個部分，主程序、中斷子程序、數(shù)據(jù)采集濾波放大子程序，A/D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、讀取鍵盤子程序，報警子程序，RS232通信模塊等等。系統(tǒng)程序的編制采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，它們之間通過軟件接口連接。本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫，在WAVE6000版本的集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯連接。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)運算量巨大，所以我們將系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和辨識以及PID參數(shù)尋優(yōu)部分放在上位機上，由MATLAB完成計算之后經(jīng)由MATLAB與C語言的接口將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)發(fā)送到下位機，由下位機來完成執(zhí)行功能。

4 創(chuàng)新觀點

本文作者創(chuàng)新點：基于系統(tǒng)辨識及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本理論及PID參數(shù)整定方法及遺傳算法的基本原理及基本操作，提出基于遺傳算法尋優(yōu)PID參數(shù)的構(gòu)想。在對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識PID控制器在過熱蒸汽溫度控制上的仿真發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識PID控制器能夠滿足溫度控制要求，具有相當(dāng)好的魯棒性。利用電阻爐水溫控制實驗來模擬過熱蒸汽的控制，通過分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制要優(yōu)于常規(guī) PID 控制器，可以達(dá)到響應(yīng)快、超調(diào)小、抗擾動和魯棒性好的要求。