精品遗传算法在主蒸汽温度控制系统中的应用毕业论文设计.docx

精品遗传算法在主蒸汽温度控制系统中的应用毕业论文设计.docx

《精品遗传算法在主蒸汽温度控制系统中的应用毕业论文设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精品遗传算法在主蒸汽温度控制系统中的应用毕业论文设计.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

精品遗传算法在主蒸汽温度控制系统中的应用毕业论文设计

遗传算法在主蒸汽温度控制系统中的应用

摘要

在电厂热工生产过程中，主蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围之内。

过热汽温被控对象是一个多容环节，它的纯迟延时间和时间常数都比较大，干扰因素多，对象模型不能精确确定，中间测点不易取，由于其特有的复杂性，使得模型的获取有一定的难度。

PID调节是热工系统最主要的控制策略，它直接影响机组的安全、经济运行。

遗传算法作为一种智能优化算法，它是在解空间进行高效启发式搜索，而非盲目地穷举或完全随机搜索，应用遗传算法对主汽温系统控制器参数进行优化，实验表明，应用遗传算法优化控制器参数的优越性。

仿真结果表明，在主蒸汽温度控制系统中，本文所设计的用改进的遗传算法优化的PID控制器比常规的PID控制器有更好的控制效果。

关键词：

遗传算法；主汽温控制；热工系统；调节器参数；参数优化

GENETICALGORITHMINTHEMAINSTEAMTEMPERATURECONTROL

ABSTRACT

Intheprocessofthermodynamicengineeringinpowerplant,themaintaskinmainsteamtemperaturecontrolistocontrolthesuper-heatedsteamtemperaturetosomerequiredrange.Thesuper-heatedsteamtemperatureobjectisamulti-containerelement.Itsdeadlinetimeandtimeconstantisrelativelybig.Ithasmanydisturbances,Itsobjectmodelisnotaccuratelyconfirmable.Itisnoteasytomeasuresteamtemperatureinthesuper-heatedimplement.duetoitsuniquecomplexity,makingthemodeltoobtainacertaindegreeofdifficulty.PIDregulationisthemostimportantthermalsystemcontrolstrategy,whichdirectlyaffecttheunit'ssafety,economicoperation.Adaptivegeneticalgorithmasanintelligentoptimizationalgorithm,whichistheefficientheuristicsolutionspace,ratherthanblindlyexhaustiveorcompletelyrandomsearch,geneticalgorithm,themainsteamtemperaturesystemcontrollerparametersoptimization,experimentsshowthatApplicationofgeneticalgorithmtooptimizethecontrollerparameters.Thesimulationresultsshowthatinthemainsteamtemperaturecontrolsystem,designedinthispaperamodifiedgeneticalgorithmtooptimizethePIDcontrollerthantheconventionalPIDcontrollerhasbettercontroleffect.

Keywords:

Geneticalgorithms,Mainsteamtemperaturecontrol,Thermalsystem,Regulatorparameters,Optimization

目　录

前　言1

第1章主汽温调节系统的控制方案1

1.1传统主汽温调节系统1

1.1.1主汽温串级调节系统1

1.1.2采用导前汽温微分信号的双回路汽温调节系统2

1.2先进的主汽温控制策略3

第2章遗传算法的基础知识5

2.1遗传算法的概念5

2.1.1遗传算法的生物学原理5

2.1.2遗传算法的发展5

2.1.3遗传算法的特点6

2.1.4遗传算法的工作原理7

2.1.5遗传算法的基本操作8

2.2遗传算法的数学基础9

2.2.1模式的阶和模式的定义距9

2.2.2模式定理9

2.2.3积木块假设10

2.3基本遗传算法（SGA）的组成10

2.3.1编码11

2.3.2适应度函数12

2.3.3遗传算子12

2.3.4遗传算法的运行参数14

2.3.5遗传算法的收敛性14

2.4用步骤遗传算法的应15

2.5基本遗传算法的不足15

第3章改进的遗传算法优化PID控制器17

3.1PID控制器的结构17

3.2改进遗传算法17

3.2.1参数编码17

3.2.2初始群体的产生18

3.2.3确定交叉概率和变异概率19

3.2.4遗传算子的改进19

3.3仿真结果分析20

结　论23

谢辞24

参考文献25

附　录27

外文资料翻译36

前　言

近二十年来，火电厂锅炉机组越来越向大容量、高参数、高效率的方向发展，对机组热工自动控制系统控制品质的要求也随之提高。

主蒸汽温度是一个很重要的控制参数，它控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。

目前，在火电厂中，各种类型的PID控制器因其结构简单、参数的物理意义明确、易于调整并且具有一定的鲁棒性，在理论上有成熟的稳定性设计和参数整定方法，同时在工程应用中积累了丰富的经验。

而在热工系统中单纯形法，专家整定法应用较广。

虽然这些方法都具有良好的寻优特性，但是却存在一些弊端，单纯形法对初值比较敏感，容易陷入局部最优化解，造成寻优失败。

专家整定法则需要太多的经验，不同的目标函数对应不同的经验，而整理知识库则是一项长时间的工程。

因此我们选取了遗传算法来进行参数寻优，该方法是一种不需要任何初始信息并可以寻求全局最优解的、高效的优化组合方法。

遗传算法（Geneticalgorithms简称GA）进行路径规划，所谓遗传算法就是以自然遗传机制和自然选择等生物进化理论为基础，构造的一类全局优化概率搜索算法。

利用选择、交叉和变异编制控制机构的计算程序，在某种程度上对生物进化过程作数学方式的模拟，它包含了自然选择和进化的思想,具有很强鲁棒性，它是一种多点搜索算法，也是目前机器人路径规划研究中应用较多的一种方法。

遗传算法被提出之后立即受到了各国学者的广泛关注，有关遗传算法的研究成果不断涌现。

遗传算法被提出之后立即受到了各国学者的广泛关注，有关遗传算法的研究成果不断涌现。

1968年Holland提出了著名的模式（schema）定理奠定了遗传算法的理论基础；1975年DeJong首先尝试将遗传算法用于函数优化，提出了5个测试函数用以测试遗传算法的优化性能；1981年Bethke应用Walsh函数分析模式；1983年Wetzel用遗传算法解决了NP难题，即旅行商问题（TSP）；1985年Schaffer利用多种群遗传算法研究解决了多目标优化问题；1987年Goldberg等人提出了借助共享函数的小生境遗传算法。

1989年，Goldberg出版专著《GeneticAlgorithminSearch,Optimization,andMachinelearning》对遗传算法的研究有非常大的影响。

1992年，Michalewicz出版另一部具有极大影响力的著作《GeneticAlgorithm+DataStructure=volutionaryProgramming》。

我国的遗传算法的研究，从20世纪90年代以来一直处于不断上升的时期，特别是近年来，遗传算法的应用在许多领域取得了令人瞩目的成果。

国内二级以上学术刊物有关遗传算法的文章不断增加。

国内很多专家、学者等在这方面作了大量研究，并取得了很多成果。

国内以武汉大学软件工程国家重点实验室为领先，在他们的并行计算研究室内，进化计算（他们称之为“演化计算”）成为一个重要的研究方向，目前已经出版了专著，并有许多硕士、博士研究生围绕进化计算选题。

另外，中国科学技术大学的陈国良教授等出版了遗传算法的著作。

西安交通大学以进化计算为主题的研究工作也逐渐活跃起来，同时国内相关书籍也越来越多，如武汉大学刘勇、康力山等与1995年出版的《非数值并行计算-遗传算法》；周明、孙树栋等于1996年出版的《遗传算法原理及应用》；2002年王小平、曹立明编写的《遗传算法-理论、应用与软件实现》等等。

遗传算法作为一种全局优化算法，得到了越来越广的应用。

近年来，遗传算法在控制上的应用日益增多。

第1章主汽温调节系统的控制方案

1.1传统主汽温调节系统

主蒸汽温度是一个很重要的控制参数，它在控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。

1.1.1主汽温串级调节系统

目前，电厂采用喷水减温来调节过热汽温系统的延迟和惯性大，为了改善系统的动态特性，根据调节系统的设计原则，引入中间点信号作为调节器的补充信号，以便快速反映影响过热汽温变化的扰动，而最能反映减温水变化的是减温器出口的温度，因此入该点作为辅助被调量，组成了串级调速系统。

图1-1主汽温串级调节系统

图1-1为主汽温串级调节系统，图中Gh1和Gh2分别为温度变送器。

为减温器后汽温，为过热器出口汽温。

汽温调节对象由减温器和过热器组成，减温水流量为对象调节通道的输入信号，过热器出口汽温为输出信号。

为了改善调节品质，系统中采用减温器出口处汽温作为辅助调节信号（称为导前汽温信号）。

当调节机构动作（喷水量变化）后，导前汽温信号的反应显然要比过热器出口的汽温快很多。

图1-2主汽温串级调节系统的方框图

串级调节系统的主调节器出口的信号不是直接控制减温器的调节阀，而使作为副调节器的可变给定值，与减温器出口汽温比较，通过副调节器去控制执行器动作，以调节减温水量，保证过热汽温基本保持不变。

图1-2为串级调节系统的方框图。

从图1-2的方框图可以看出，串级调节系统有两个闭合的调节回路：

①由对象调节通道的导前区、导前汽温变送器、副调节器组成的副调节回路；

②由对象调节通道的惰性区、过热汽温变送器、主调节器以及副调节回路组成的主回路。

串级调节系统之所以能改善系统的调节品质，主要是由于有一个快速动作的副调节回路存在。

为了保证快速性，副调节回路的调节器采用比例（P）或比例微分（PD）调节器，使过热汽温基本保持不变，起到了粗调的作用；为了保证调节的准确性，主调节回路的调节器采用比例积分（PI）或比例积分微分（PID）调节器，使过热汽温与设定值相等，起到了细调的作用。

对于串级汽温调节系统，无论扰动发生在副调节回路还是发生在主调节回路，都能迅速的做出反应，快速消除过热汽温的变化。

1.1.2采用导前汽温微分信号的双回路汽温调节系统

图1-3所示即为采用导前汽温