【正文】 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）遺傳算法在主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用摘 要在電廠熱工生產(chǎn)過程中，主蒸汽溫度控制的任務(wù)是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許范圍之內(nèi)。過熱汽溫被控對象是一個多容環(huán)節(jié)，它的純遲延時間和時間常數(shù)都比較大，干擾因素多，對象模型不能精確確定，中間測點(diǎn)不易取，由于其特有的復(fù)雜性，使得模型的獲取有一定的難度。PID調(diào)節(jié)是熱工系統(tǒng)最主要的控制策略，它直接影響機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。遺傳算法作為一種智能優(yōu)化算法，它是在解空間進(jìn)行高效啟發(fā)式搜索，而非盲目地窮舉或完全隨機(jī)搜索，應(yīng)用遺傳算法對主汽溫系統(tǒng)控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化控制器參數(shù)的優(yōu)越性。仿真結(jié)果表明，在主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中，本文所設(shè)計(jì)的用改進(jìn)的遺傳算法優(yōu)化的PID控制器比常規(guī)的PID控制器有更好的控制效果。關(guān)鍵詞：遺傳算法；主汽溫控制；熱工系統(tǒng)；調(diào)節(jié)器參數(shù)；參數(shù)優(yōu)化GENETIC ALGORITHM IN THE MAIN STEAM TEMPERATURE CONTROLABSTRACT In the process of thermodynamic engineering in power plant,the main task in main steam temperature control is to control the superheated steam temperature to some required range. The superheated steam temperature object is a multicontainer deadline time and time constant is relatively big. It has many disturbances,Its object model is not accurately is not easy to measure steam temperature in the superheated implement. due to its unique plexity, making the model to obtain a certain degree of difficulty. PID regulation is the most important thermal system control strategy, which directly affect the unit39。s safety, economic operation. Adaptive genetic algorithm as an intelligent optimization algorithm, which is the efficient heuristic solution space, rather than blindly exhaustive or pletely random search, genetic algorithm, the main steam temperature system controller parameters optimization, experiments show that Application of genetic algorithm to optimize the controller parameters. The simulation results show that in the main steam temperature control system, designed in this paper a modified genetic algorithm to optimize the PID controller than the conventional PID controller has better control effect. Keywords: Genetic algorithms, Main steam temperature control, Thermal system, Regulator parameters, Optimization目　錄前　言 1第1章 主汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制方案 1 傳統(tǒng)主汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng) 1 主汽溫串級調(diào)節(jié)系統(tǒng) 1 采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng) 2 先進(jìn)的主汽溫控制策略 3第2章 遺傳算法的基礎(chǔ)知識 5 遺傳算法的概念 5 遺傳算法的生物學(xué)原理 5 遺傳算法的發(fā)展 5 遺傳算法的特點(diǎn) 6 遺傳算法的工作原理 7 遺傳算法的基本操作 8 遺傳算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 9 模式的階和模式的定義距 9 模式定理 9 積木塊假設(shè) 10 基本遺傳算法(SGA)的組成 10 編碼 11 適應(yīng)度函數(shù) 12 遺傳算子 12 遺傳算法的運(yùn)行參數(shù) 14 遺傳算法的收斂性 14 用步驟遺傳算法的應(yīng) 15 基本遺傳算法的不足 15第3章 改進(jìn)的遺傳算法優(yōu)化PID控制器 17 PID控制器的結(jié)構(gòu) 17 改進(jìn)遺傳算法 17 參數(shù)編碼 17 初始群體的產(chǎn)生 18 確定交叉概率和變異概率 19 遺傳算子的改進(jìn) 19 仿真結(jié)果分析 20結(jié)　論 23謝 辭 24參考文獻(xiàn) 25附　錄 27外文資料翻譯 3622前　言近二十年來，火電廠鍋爐機(jī)組越來越向大容量、高參數(shù)、高效率的方向發(fā)展，對機(jī)組熱工自動控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的要求也隨之提高。主蒸汽溫度是一個很重要的控制參數(shù)，它控制的任務(wù)是維持過熱器出口蒸汽溫度允許的范圍之內(nèi)，并保護(hù)過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。目前，在火電廠中，各種類型的PID控制器因其結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)的物理意義明確、易于調(diào)整并且具有一定的魯棒性，在理論上有成熟的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和參數(shù)整定方法，同時在工程應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。而在熱工系統(tǒng)中單純形法，專家整定法應(yīng)用較廣。雖然這些方法都具有良好的尋優(yōu)特性，但是卻存在一些弊端，單純形法對初值比較敏感，容易陷入局部最優(yōu)化解，造成尋優(yōu)失敗。專家整定法則需要太多的經(jīng)驗(yàn)，不同的目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)不同的經(jīng)驗(yàn)，而整理知識庫則是一項(xiàng)長時間的工程。因此我們選取了遺傳算法來進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，該方法是一種不需要任何初始信息并可以尋求全局最優(yōu)解的、高效的優(yōu)化組合方法。遺傳算法(Genetic algorithms簡稱GA)進(jìn)行路徑規(guī)劃，所謂遺傳算法就是以自然遺傳機(jī)制和自然選擇等生物進(jìn)化理論為基礎(chǔ)，構(gòu)造的一類全局優(yōu)化概率搜索算法。利用選擇、交叉和變異編制控制機(jī)構(gòu)的計(jì)算程序，在某種程度上對生物進(jìn)化過程作數(shù)學(xué)方式的模擬，它包含了自然選擇和進(jìn)化的思想,具有很強(qiáng)魯棒性，它是一種多點(diǎn)搜索算法，也是目前機(jī)器人路徑規(guī)劃研究中應(yīng)用較多的一種方法。遺傳算法被提出之后立即受到了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注，有關(guān)遺傳算法的研究成果不斷涌現(xiàn)。遺傳算法被提出之后立即受到了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注，有關(guān)遺傳算法的研究成果不斷涌現(xiàn)。1968 年Holland 提出了著名的模式(schema)定理奠定了遺傳算法的理論基礎(chǔ)；1975 年De Jong 首先嘗試將遺傳算法用于函數(shù)優(yōu)化，提出了5 個測試函數(shù)用以測試遺傳算法的優(yōu)化性能；1981 年Bethke 應(yīng)用Walsh 函數(shù)分析模式；1983 年Wetzel 用遺傳算法解決了NP 難題，即旅行商問題(TSP)；1985年Schaffer 利用多種群遺傳算法研究解決了多目標(biāo)優(yōu)化問題；1987 年Goldberg 等人提出了借助共享函數(shù)的小生境遺傳算法。1989 年，Goldberg 出版專著《Genetic Algorithm in Search,Optimization, and Machine learning》對遺傳算法的研究有非常大的影響。1992 年，Michalewicz 出版另一部具有極大影響力的著作《Genetic Algorithm + Data Structure =volutionary Programming》。我國的遺傳算法的研究，從20世紀(jì)90年代以來一直處于不斷上升的時期，特別是近年來，遺傳算法的應(yīng)用在許多領(lǐng)域取得了令人矚目的成果。國內(nèi)二級以上學(xué)術(shù)刊物有關(guān)遺傳算法的文章不斷增加。國內(nèi)很多專家、學(xué)者等在這方面作了大量研究，并取得了很多成果。國內(nèi)以武漢大學(xué)軟件工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為領(lǐng)先，在他們的并行計(jì)算研究室內(nèi)，進(jìn)化計(jì)算（他們稱之為“演化計(jì)算”）成為一個重要的研究方向，目前已經(jīng)出版了專著，并有許多碩士、博士研究生圍繞進(jìn)化計(jì)算選題。另外，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陳國良教授等出版了遺傳算法的著作。西安交通大學(xué)以進(jìn)化計(jì)算為主題的研究工作也逐漸活躍起來，同時國內(nèi)相關(guān)書籍也越來越多，如武漢大學(xué)劉勇、康力山等與1995年出版的《非數(shù)值并行計(jì)算遺傳算法》；周明、孫樹棟等于1996年出版的《遺傳算法原理及應(yīng)用》；2002年王小平、曹立明編寫的《遺傳算法理論、應(yīng)用與軟件實(shí)現(xiàn)》等等。遺傳算法作為一種全局優(yōu)化算法，得到了越來越廣的應(yīng)用。近年來，遺傳算法在控制上的應(yīng)用日益增多。第1章 主汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制方案 傳統(tǒng)主汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)主蒸汽溫度是一個很重要的控制參數(shù)，它在控制的任務(wù)是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍之內(nèi)，并保護(hù)過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。 主汽溫串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)目前，電廠采用噴水減溫來調(diào)節(jié)過熱汽溫系統(tǒng)的延遲和慣性大，為了改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，根據(jù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，引入中間點(diǎn)信號作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充信號，以便快速反映影響過熱汽溫變化的擾動，而最能反映減溫水變化的是減溫器出口的溫度，因此入該點(diǎn)作為輔助被調(diào)量，組成了串級調(diào)速系統(tǒng)。 圖1 1主汽溫串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖11為主汽溫串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，圖中Gh1和Gh2分別為溫度變送器。為減溫器后汽溫，為過熱器出口汽溫。汽溫調(diào)節(jié)對象由減溫器和過熱器組成，減溫水流量為對象調(diào)節(jié)通道的輸入信號，過熱器出口汽溫為輸出信號。為了改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，系統(tǒng)中采用減溫器出口處汽溫作為輔助調(diào)節(jié)信號(稱為導(dǎo)前汽溫信號)。當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動作(噴水量變化)后，導(dǎo)前汽溫信號的反應(yīng)顯然要比過熱器出口的汽溫快很多。圖12主汽溫串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方框圖串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器出口的信號不是直接控制減溫器的調(diào)節(jié)閥，而使作為副調(diào)節(jié)器的可變給定值，與減溫器出口汽溫比較，通過副調(diào)節(jié)器去控制執(zhí)行器動作，以調(diào)節(jié)減溫水量，保證過熱汽溫基本保持不變。圖12為串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方框圖。從圖12的方框圖可以看出，串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)有兩個閉合的調(diào)節(jié)回路：①由對象調(diào)節(jié)通道的導(dǎo)前區(qū)、導(dǎo)前汽溫變送器、副調(diào)節(jié)器組成的副調(diào)節(jié)回路；②由對象調(diào)節(jié)通道的惰性區(qū)、過熱汽溫變送器、主調(diào)節(jié)器以及副調(diào)節(jié)回路組成的主回路。串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)之所以能改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，主要是由于有一個快速動作的副調(diào)節(jié)回路存在。為了保證快速性，副調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)器采用比例(P)或比例微分(PD)調(diào)節(jié)器，使過熱汽溫基本保持不變，起到了粗調(diào)的作用；為了保證調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，主調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)器采用比例積分(PI)或比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器，使過熱汽溫與設(shè)定值相等，起到了細(xì)調(diào)的作用。對于串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，無論擾動發(fā)生在副調(diào)節(jié)回路還是發(fā)生在主調(diào)節(jié)回路，都能迅速的做出反應(yīng)，快速消除過熱汽溫的變化。 采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖13所示即為采用導(dǎo)前汽溫微分信號的汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)引入了導(dǎo)前汽溫的微分信號作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充信號，以改善調(diào)節(jié)質(zhì)量。因?yàn)楹偷淖兓厔菔且恢碌?，且比的反?yīng)快很多，因此它能迅速地反映的變化趨勢。引入了的微分信號后，將有助于調(diào)節(jié)器動作的快速性。在動態(tài)時，調(diào)節(jié)器將根據(jù)和與給定值之間的差值而動作；在靜態(tài)時，信號為零，過熱汽溫必然等于給定值。其中目前電廠普遍采用上述兩種主汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它們各有特點(diǎn)，比較如下：（1）如果把采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為串級系統(tǒng)來看待，其等效主、副調(diào)節(jié)器均是比例積分調(diào)節(jié)器，但對于實(shí)際的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為了提高副回路的快速跟蹤性能，副調(diào)節(jié)器應(yīng)該采用比例或比例微分調(diào)節(jié)器，而主調(diào)節(jié)器則應(yīng)采用比例積分微分調(diào)節(jié)器。因此，采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)的副回路，其快速跟蹤和消除干擾的性能不如串級系統(tǒng)；在主回路中，串級系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器具有微分作用，故調(diào)節(jié)質(zhì)量比采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)好。特別對于慣性遲延較大的對象或外擾頻繁的情況下，采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)不如串級系統(tǒng)。（2）串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)主、副兩個調(diào)節(jié)回路的工作相對比較獨(dú)立，因此系統(tǒng)投運(yùn)時整定、調(diào)試直觀方便。而采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的兩個回路在參數(shù)調(diào)整時相互影響、不易掌握。通過上面的比較可以知道，串級控制系統(tǒng)對于過熱汽溫控制系統(tǒng)的控制效果好于導(dǎo)前汽溫微分信號控制系統(tǒng)。圖1 3采用導(dǎo)前汽溫微分信號的汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng) 先進(jìn)的主汽溫控制策略針對主汽溫這個在熱工自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中屬于可控性最差的調(diào)節(jié)系統(tǒng)（擾動因素多，滯后大），廣大專家和學(xué)者給予了特別的關(guān)注，結(jié)合先進(jìn)控制原理提出了很多新的控制方案，下面簡要介紹三種：（1）自適應(yīng)度控制器調(diào)節(jié)控制參數(shù)的控制方案過熱自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)，其原理是將系統(tǒng)輸出的微分和偏差引入到自適應(yīng)控制器內(nèi)，通過預(yù)先設(shè)計(jì)的規(guī)則，調(diào)整PID參數(shù)，以適應(yīng)不同工作情況下的控制要求。它的基本控制系統(tǒng)是串級控制，自適應(yīng)控制器用來調(diào)整主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。（2）應(yīng)用模糊理論的控制方案模糊自適應(yīng)導(dǎo)前微積分控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的原理是在采用導(dǎo)前微分信號的汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將氣溫偏差值及偏差值的微分引入到模糊控制器中，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的規(guī)則，如當(dāng)導(dǎo)前汽溫信號變化大時，控制系統(tǒng)應(yīng)施加大的控制作用使控制量回到設(shè)定值等，對微分器的參數(shù)進(jìn)行在線整定，以達(dá)到在不同的工作情況下，控制系統(tǒng)的參數(shù)達(dá)到最佳值。（3）應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方案基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。將過熱汽溫設(shè)定值及其偏差引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，對傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行在線補(bǔ)償，以適應(yīng)調(diào)節(jié)對象動態(tài)性的變化。除啦上面