基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：鍋爐，作為火電廠、供暖系統(tǒng)、工業(yè)工礦等眾多行業(yè)中的主要能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，在工業(yè)發(fā)展史中有重要的地位，但鍋爐系統(tǒng)普遍存在非線性、多擾動、負(fù)荷變動及燃燒產(chǎn)物污染等問題。本文通過對鍋爐系統(tǒng)的工藝流程的分析，在深入研究徑向基函數(shù)后，提出了鍋爐蒸汽壓力控制方案，研究分析RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練方法，運用它高精度無限逼近非線性函數(shù)的特性，設(shè)計并運用RBFPID控制器，該控制器能夠根據(jù)輸入波動進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，這種成熟的在線控制系統(tǒng)很大程度上改善了鍋爐控制系統(tǒng)目前存在的問題。

關(guān)鍵詞：鍋爐控制；徑向基函數(shù)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID

鍋爐行業(yè)的發(fā)展關(guān)系到國家建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)。鍋爐行業(yè)應(yīng)該以高效節(jié)能降耗為中心，潔凈減排環(huán)保為目標(biāo)，關(guān)注核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新，提升鍋爐系統(tǒng)節(jié)能效果，從整體出發(fā)優(yōu)化鍋爐系統(tǒng)效率，提高鍋爐系統(tǒng)自動化控制水平，優(yōu)化鍋爐燃燒系統(tǒng)和蒸汽運輸系統(tǒng)，對鍋爐各部分的溫度、壓力進(jìn)行有效地控制，提高燃料的利用率。研究這些技術(shù)都有助于促進(jìn)鍋爐系統(tǒng)降低燃燒排放的污染物，提高鍋爐系統(tǒng)整體的安全性以及對鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行有效的自動化控制。

1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類似于人腦，從眼睛看到事物，到大腦做出思考，再到最后做出反應(yīng)，就像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，通過內(nèi)部的的學(xué)習(xí)，在不可見的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部形成一種能夠自我學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)，最后輸出。感知器和自適應(yīng)原件的的提出，針對能量變化提出相應(yīng)的概念，還有保持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的要求，到最后BP算法的大量應(yīng)用，再到徑向基函數(shù)的完善，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)展現(xiàn)了它獨特的魅力。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有非線性、非局限性、非常定性、非凸性等特性，其中RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其特有的最佳逼近和全局最優(yōu)的的特點，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中占據(jù)不可替代的地位。該網(wǎng)絡(luò)的基本思想是對非線性的無限逼近和對維度的處理技術(shù)，通過對隱含單元輸出進(jìn)行加權(quán)求和，實現(xiàn)良好全局最優(yōu)性。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個標(biāo)準(zhǔn)的三層網(wǎng)絡(luò)，即輸入層、隱含層、輸出層，相比于普通的三層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的獨到之處在于它在中間層采用RBF Kernel技術(shù)，這可以針對很多非線性輸入，對他們進(jìn)行非線性變換，局部響應(yīng)的高斯函數(shù)能在很大一方面擴(kuò)寬RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍，對比其他前向函數(shù)，處理相同問題時，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就需要更多的神經(jīng)元相互協(xié)作，這會縮短整體系統(tǒng)的學(xué)習(xí)時間，而且它的逼近程度是其他函數(shù)無可比擬的。

2 設(shè)計RBFPID的過程

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的Simulink仿真，利用基于MATLAB的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的S函數(shù)，可以有效地避免在復(fù)雜系統(tǒng)仿真時需要采用編程方法來編寫大量復(fù)雜、煩瑣的源程序的問題，讓程序的編程變得快速、簡捷，而且調(diào)試方便，大大減少系統(tǒng)仿真工作量。編寫完我們需要的函數(shù)時候，就應(yīng)該建立實際模型，步驟是：（1）輸入函數(shù)變量名及參數(shù)變量名。單擊Simulink模型庫中非線性環(huán)節(jié)的S函數(shù)模塊，并拖動到所打開的模型窗口上，雙擊S函數(shù)模塊，按照相關(guān)的提示輸入函數(shù)變量名nnrbfpid和參數(shù)名T，nn，xite，alfa。（2）創(chuàng)建子系統(tǒng)。（3）屏蔽子系統(tǒng)，參照步驟的提示，先把子系統(tǒng)屏蔽，開始鍵入?yún)?shù)，雙擊該模塊也可以對參數(shù)進(jìn)行修改。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的Simulink模型有2個輸入，2個輸出，其中輸入1為給定信號與對象輸出信號的誤差eK，輸入2為對象輸出信號yK。輸出1為控制器的輸出uK，輸出2為kP，kI，kD三個權(quán)值的變化量。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與鍋爐控制的結(jié)合

我們根據(jù)鍋爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)為研究對象，針對它的復(fù)雜變換的特性，對鍋爐蒸汽壓力系統(tǒng)建立起一個仿真模型，研究鍋爐運行系統(tǒng)和工藝流程圖，鍋爐蒸汽壓力的變化和減溫水、燃料量、外界負(fù)荷有著密切的關(guān)聯(lián)。蒸汽熱能是通過燃料在爐膛進(jìn)行燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，我們可以將該過程簡化為如下圖所示的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

蒸汽壓力調(diào)節(jié)對象示意圖

從蒸汽壓力調(diào)節(jié)對象圖出發(fā)，結(jié)合實際生產(chǎn)過程中鍋爐系統(tǒng)的實際參數(shù)可知，整個鍋爐系統(tǒng)具有的儲藏?zé)崃康哪芰ο啾扔谶^熱器、蒸汽管道和負(fù)荷系統(tǒng)設(shè)備的儲藏?zé)崃磕芰Υ蟮亩?，基于這種現(xiàn)實情況，我們可以考慮把這三個環(huán)節(jié)的系統(tǒng)阻力作為控制系統(tǒng)中的一個集中阻力，根據(jù)它們的特性把這個阻力環(huán)節(jié)近似成為一個比例環(huán)節(jié)，對于整體的鍋爐系統(tǒng)我們把它用一個積分環(huán)節(jié)代替。

G0SB=PBuB=1CkSGS=1TαS（1）

G0SM=PMuB=1CkSGS=1TαSGS（2）

GS能夠表示燃燒方式的傳遞函數(shù)，這個一階慣性環(huán)節(jié)還有著純滯后特點；G0SB表示的是汽包壓力對象的傳遞函數(shù)；G0SM為蒸汽壓力的傳遞函數(shù)。試驗得到下列近似鍋爐蒸汽壓力傳遞函數(shù)

G0S=1250s2+50s+1250（3）

通過不斷的實驗得到RBFPID的參數(shù)xite=0.25，alfa=0.05，beta=0.01，k_pid分別為0.03，0.01，0.03。利用整定好的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，得到運用RBFPID控制器系統(tǒng)的超調(diào)量為4.8%，調(diào)節(jié)時間為0.6s。從控制效果分析，RBFPID控制器和常規(guī)PID控制器相比，有著調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小、震蕩幅度較小的優(yōu)點。因此，基于改進(jìn)的徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID的控制器比常規(guī)PID控制器的控制品質(zhì)更好。

4 結(jié)語

鍋爐是我國工業(yè)、生活供暖的主要動力設(shè)備，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是前沿的科學(xué)發(fā)展技術(shù)，這兩者的結(jié)合勢必會碰撞出不一樣的火花。將鍋爐控制系統(tǒng)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，針對鍋爐蒸汽壓力系統(tǒng)提出了RBFPID控制器的控制理念，尋找最合適的控制方案，有效解決了普通控制器的延遲滯后問題，對鍋爐系統(tǒng)取得了較好的控制效果。

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作者簡介：黃超（1993），男，漢族，河南信陽人，本科，研究方向：自動控制原理。