基于MATLAB的锅炉气温神经网络控制的文献综述【文献综述】

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毕业设计文献综述电气工程及其自动化基于MATLAB的锅炉气温神经网络控制的文献综述一．前言随着整个社会的不断进步，我国各方面对电力的需求越来越大，并且对电力供应的可靠性也提出了更高的要求：一方面要求发电机组的出力要能及时跟上电网负荷的变化，另一方面又要求机组能够安全稳定地运行[8]。我国是火电大国，2007年我国电力总装机己超过7亿千瓦，其中火电占到总装机容量的78%，国内的火力电站占国内电力总装机容量超过四分之三，而火力发电机组的热工自动化是保障设备安全、提高机组经济性、改善劳动条件和减轻劳动强度的重要技术措施。由此可见，火电站的各项设备的先进控制与优化在火电机组的应用领域有着非常重要的意义[1]。锅炉是火力电站的重要设备之一。电站锅炉设备庞大、复杂；控制过程多变量、大延迟、强耦合，其控制和优化问题一直是这一领域学者所关注和研究的重点。锅炉过热蒸汽温度是影响锅炉生产过程安全性和经济性的重要参数。锅炉的汽温控制必须非常稳定，如果超温将直接影响锅炉的安全运行，经常的超温会大大的影响管路寿命，甚至会产生暴管事故而被迫停机维修，而过低的汽温会大幅影响锅炉效率。因此，锅炉的汽温控制对于安全和经济运行均有重大意义。现代锅炉是在高温、高压的条件下工作,所以必须通过自动化手段加以控制，维持其出口蒸汽温度在生产允许的范围内。火电厂汽温对象动态特性随运行工作情况的变化而大范围变化，较难建立比较精确的数学模型[10] 。在供电量需求越来越大的今天，对于较早建设的使用传统控制方法的国内电站机组来说，汽温自动控制品质很差是一个相对普遍的问题，大型锅炉的主汽和再热汽回路普遍存在的大时延、大滞后、非线性和慢时变的难题得不到良好的解决。加上我国火电站的资源利用率不高而我国境内的资源总量十分有限，火电站运作产生的有害物质排放使环境污染严重，火电站电网的规模因电力需求扩大而还在扩大等等原因，使得火电站的锅炉过热气温控制应用更为先进和有效的控制方法成为当务之急。二．主题自20世纪70年代第三代控制理论发展以来，高技术开发和研究部门把化学工程、过程控制理论、仪表及计算机有机地结合起来，设计出了新型的多输入多输出的先进控制系统并开发出先进控制软件，它能够解决非线性、时变、大时滞等难以控制的过程问题，提高装置的操作性能，以达到提高装置整体经济效益和节约能源降低消耗的效果，这就是先进控制技术。它以多变量预估为核心，采用过程模型预测未来的输出，并与对象的实际输出的差值修正过程的模型。这样便可以把若干的被控制量控制在一个工控点上，达到提高效率，简化控制的效果[6]。智能控制是先进控制技术的一种。它是指在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。控制理论的发展在经历了“经典控制理论”和“现代控制理论”的发展阶段之后，已进入“大系统理论”和“智能控制理论”阶段[6]。20世纪80年代以来，由于信息技术、计算技术的快速发展及其他相关学科的发展和相互渗透，推动了控制科学与工程研究的不断深入，控制系统向智能控制系统的发展已成为一种趋势。智能控制的特点包括：智能控制的核心在高层控制，即组织级；智能控制器具有非线性特性；智能控制具有变结构特点；智能控制器具有总体自寻优特性；智能控制系统应能满足多样性目标的高性能要求；智能控制是一门边缘交叉学科；智能控制是一个新兴的研究领域。其研究的对象的特点主要体现在：模型的不确定性，高度的非线性和复杂的任务要求。智能控制的类型有分级递阶控制、系统专家控制系统、人工神经网络控制系统、模糊控制系统和学习控制系统[13]。 神经网络是指由大量与生物神经系统的神经细胞相类似的人工神经元互连而组成的网络;或由大量象生物神经元的处理单元并联互连而成.这种神经网络具有某些智能和仿人控制功能，是对人脑的抽象，简化和模拟，能够反映人脑的基本特性。人工神经网络与人脑的相似之处主要有两点：一是通过学习过程利用神经网络从外部环境中获取知识；二是内部神经元用来存储获取的知识信息。学习算法是神经网络的主要特征，它是机体在复杂多变的环境中进行有效的自我调节。目前常用的学习算法有：Hebb学习算法,widrowHoff学习算法,反向传播学习算法，BP学习算法,Hopfield反馈神经网络学习算法等[14]。BP神经网络是一种单向传播的多层前向网络，也是目前应用最为广泛和成功的一种人工神经网络。随着人工智能技术的发展，BP神经网络以其自学习能力和逼近任意非线性函数能力，在过程控制的领域内得到了广泛的应用。将BP神经网络和PID控制相结合的控制策略也因此得到了广泛的研究和突破[17]。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境，最早是由CleveMoler教授创造的，该语言无需像C语言和Fortran那样编写源程序、编译、连接，最终形成可执行文件。早期的Matlab是用Fortran语言编写的，只能做矩阵运算，绘图也只能用极其原始的方法，内部函数也只提供了几十个。1984年，CleveMoler和JohnLittle等人成立了MathWorks公司，正式将Matlab推向市场。从此，Matlab的内核采用C语言编写，除了原有的数字计算能力外，还增加了图形图像处理功能、多媒体、符号运算和与其他流行软件的接口功能，这使得Matlab的功能越来越强大。20世纪90年代，Matlab已经成为国际控制界公认的标准设计软件，在国际上30多个数学类科技应用软件中，Matlab在数值计算方面独占鳌头[3]。MathWorks公司于1993年推出了具有划时代意义的基于windows平台的Matlab4.0版，使之应用也越来越广泛。1994年推出的4.2版扩充了4.0版的功能，尤其是在图形界面设计方面更提供了新的方法。1997年推出的5.0版定义更多的数据结构。2000年推出的6.0正式版，在核心数值计算、界面、外部接口、应用界面等诸多方面做了极大改进。2005年9月发布的7.1完整版提供了Matlab、SimulinkDE升级以及看其他最新75个模块的升级，并具有用于数据分析、大规模建模、固定点开发、编码等的新特征[5]。Matlab的特点主要有：(1)语言简洁接凑，程序设计自由度大，使用方便灵活。(2)数值算法稳定可靠，库函数十分丰富。(3)运算符丰富。(4)Matlab既具有结构化的控制语句，又支持面向对象的程序设计。(5)程序的可以执行好。(6)Matlab的图形功能强大，支持数据的可视化操作，方便的显示程序的运行结果。(7)源程序的开发性、系统的可扩展能力强(8)Matlab是解释执行语言[4]。 三．总结当前我国正处于一个经济高速发展的时代，对于电能的消耗也越来越大。火力发电作为我国目前最重要的发电方式，如何提高其工作效率和改善控制方式成为了重要的课题。其中改善过路的气温过热控制将是提高火电站工作质量的关键步骤[7]。神经网络控制作为智能控制的一个分支，已得到包括自动控制领域等在内的等多个领域的应用，它与传统控制相结合可以比较妥善的解决各自的不足，从而达到令人相对满意的控制效果。控制原理、计算方法与计算机技术的结合是当代控制系统发展的重要内容，因此在以Matlab为代表的软件平台上，对控制系统进行分析、设计与仿真就成了控制工程师必须熟练掌握的重要知识与技能。参考文献[1]杨献勇．热工过程自动控制[M]．北京：清华大学出版社，1999．[2]张晓华．控制系统数字仿真与CAD[M].北京：机械工业出版社，2005．[3]薛定宇，陈阳泉．基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用[M]．北京：清华大学出版社，2002．[4]谢仕宏．MATLAB控制系统动态仿真实例教程[M].北京：化学工业出版社，2009．[5]王海英，袁丽英，吴勃．控制系统的Matlab仿真与设计[M]．北京：高等教育出版社，2009．[6]薛志斌，李平．先进控制策略在电厂热工过程控制中的应用．青海电力，2000(1)：37~46．[7]李遵基．热工自动控制系统[M]．华北电力大学．中国电力出版社，1997．[8]周佩．电厂锅炉系统的技术优化．http://www.cnki.net．2001．[9]孙庚山，兰西柱．工程模糊控制[M]．北京：机械工业出版社，1995．[10]李耀荣.我国工业锅炉发展趋向探究[J]．工业锅炉，2006(1)：12~15[11]肖本贤，肖军，李善寿．基于MATLAB7.0的电厂锅炉过热汽温控制模型的在线辨识[J].仪器仪表学报，2009，30(6)：20~24． [12]王广军，何祖威，陈红．基于神经网络和过程机理的锅炉过热系统动态仿真[J]．中国电机工程学报，2001,21(12):38~40．[13]胡屏，张虹，郭佩英．智能控制在锅炉过热汽温控制中的应用研究[J]．东北电力学院学报，2003,23(6)：27~29．[14]尚福海．基于人工神经网络的锅炉控制研[J]．http://www.cnki.net．2008.5．[15]PradeepB．Deshpande．DistillationSynamicsandControl．NewYork：CreafiveServicesInc，1985．[16]Owens，D.H.．feedbackandMultivariableControlSystems，PeterPeregrines，London．1978．[17]王永骥，涂健．神经元网络控制[M]．北京：机械工业出版社，1998．