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焦?fàn)t集氣管壓力模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

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作者:作者:王欣 秦斌 吳敏 李祥飛 時(shí)間:2007-01-26 來源:《電子技術(shù)應(yīng)用》 收藏

焦?fàn)t集氣管壓力控制是焦?fàn)t控制的關(guān)鍵之一。壓力大時(shí)焦?fàn)t冒煙嚴(yán)重,近距離不能看清設(shè)備,大量焦?fàn)t媒氣進(jìn)入空氣中,污染環(huán)境;壓力小時(shí)空氣吸入嚴(yán)重,影響焦?fàn)t壽命和焦?fàn)t煤氣質(zhì)量。因此,采用先進(jìn)控制手段,對(duì)焦?fàn)t焦氣管壓力進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定控制,對(duì)于改善環(huán)境、提高煤氣回收量和質(zhì)量、提高焦?fàn)t輔助產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量,具有重要的意義。焦?fàn)t集氣管控制系統(tǒng)的主要問題有:

(1)焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)是一個(gè)耦合嚴(yán)重、具有嚴(yán)重非線性、時(shí)變特性、擾動(dòng)變化激烈的多變量系統(tǒng),一般的pid調(diào)節(jié)很難滿足要求。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/21356.htm

(2)當(dāng)媒質(zhì)較好、鼓風(fēng)機(jī)后媒氣負(fù)荷穩(wěn)定時(shí),
自動(dòng)控制效果較好;當(dāng)媒質(zhì)較差、鼓風(fēng)機(jī)后壓力變化大時(shí),常常出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象,迫使系統(tǒng)無法投入自動(dòng)控制。

(3)作為控制機(jī)構(gòu)之一的鼓風(fēng)閘閥存在嚴(yán)重的非線性、滯后大,常規(guī)伺服放大器加執(zhí)行結(jié)構(gòu)很難適應(yīng)。

近年來,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)和遺傳算法已成為智能計(jì)算的三大信息科學(xué),是智能控制領(lǐng)域的三個(gè)重要基礎(chǔ)工具,將三者有機(jī)地結(jié)合起來,取長(zhǎng)補(bǔ)短,不僅在理論上顯示出誘人的前景,在實(shí)際應(yīng)用也取得了突破。本系統(tǒng)采用一種基于遺傳算法和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能模糊控制器,實(shí)現(xiàn)了模糊規(guī)則的在線修改和隸屬函數(shù)的自動(dòng)更新,使模糊控制具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力。本文將系統(tǒng)的硬件高可靠性、軟件靈活性與現(xiàn)代智能控制相結(jié)合,在分析控制對(duì)象的基礎(chǔ)上采智能協(xié)調(diào)解耦控制方案,應(yīng)用plc的邏輯梯形圖語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn),保證了集氣管壓力穩(wěn)定在工藝要求范圍內(nèi)。

1 工藝簡(jiǎn)介

圖1是焦?fàn)t集氣管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。焦?fàn)t媒氣從各炭化室通過上升管時(shí)被循環(huán)氨氣冷卻到80~90℃,然后進(jìn)入集氣管。焦?fàn)t某氣從焦?fàn)t到初冷器分為兩個(gè)吸氣系統(tǒng),即1號(hào)和2號(hào)焦?fàn)t為一個(gè)系統(tǒng),3號(hào)焦?fàn)t為一個(gè)系統(tǒng)。1號(hào)和2號(hào)焦?fàn)t的煤氣從各自的集氣管進(jìn)入共用吸氣管后,在初冷器前與3號(hào)焦?fàn)t的煤氣會(huì)合后進(jìn)入初冷器。通過初冷器被冷卻到35~40℃,然后由鼓風(fēng)機(jī)送往下道工序。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)功能

焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)采用高可靠性的兩級(jí)計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng),由監(jiān)控、控制器和通訊網(wǎng)及儀表系統(tǒng)構(gòu)成,如圖2所示。監(jiān)控站由研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和高性能工業(yè)控制軟件構(gòu)成,完成對(duì)焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)的監(jiān)視和操作,對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔,是控制系統(tǒng)的主要機(jī)界面。控制器采用日本三菱公司推出的a2a擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊和基板組成,通過智能控制算法對(duì)三座焦?fàn)t的集氣管壓力和鼓風(fēng)機(jī)壓力進(jìn)行控制。儀表系統(tǒng)由變送器、配電器、隔離器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器等構(gòu)成,主要完成壓力信號(hào)的獲取和閥門的控制執(zhí)行。

系統(tǒng)主要功能為:

(1)實(shí)現(xiàn)3焦?fàn)t集氣管壓力的解耦控制,
實(shí)現(xiàn)初冷器前和鼓風(fēng)機(jī)前及鼓風(fēng)后壓力智能協(xié)調(diào)控制,保證4臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。在推焦裝媒及鼓風(fēng)機(jī)后負(fù)荷變化等擾動(dòng)較大的情況下,集氣管壓力穩(wěn)定在設(shè)定值±20pa內(nèi)。

(2)實(shí)現(xiàn)過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、顯示、報(bào)警、故障監(jiān)測(cè)及診斷功能,手、自動(dòng)無擾切換和設(shè)定操作,對(duì)歷史趨勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)(存儲(chǔ)240天的歷史數(shù)據(jù))和顯示。具備報(bào)表打印功能和與上位機(jī)(管理系統(tǒng))聯(lián)網(wǎng)功能。

3 控制原理

針對(duì)焦?fàn)t集氣管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),本文提出一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能協(xié)調(diào)控制方案??刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。它分為兩級(jí):專家智能控制協(xié)調(diào)級(jí)(虛線框內(nèi))和基本實(shí)時(shí)智能控制級(jí)。專家智能控制協(xié)調(diào)級(jí)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被控系統(tǒng)過程,根據(jù)不同爐況,協(xié)調(diào)控制策略,進(jìn)行有效控制?;緦?shí)時(shí)智能控制級(jí)分為單輸入單輸出(siso)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器fnc1~fnc4和多變量解耦控制器fnc5兩部分,由徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)(rbfn)逼近過程模型。此模型用于計(jì)算過程輸出對(duì)過程輸入的一階偏導(dǎo)數(shù)ay/au和離線尋優(yōu),由多量解耦控制器根據(jù)解耦參考模型2進(jìn)行解耦控制,與被控對(duì)象一道構(gòu)成解耦后的廣義被控對(duì)象,在此基礎(chǔ)上分別采用siso模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器控制被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性:采用智能協(xié)調(diào)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器fnc4,以鼓風(fēng)機(jī)閘閥開度為控制量,控制初冷器前吸力;采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器fnc1~3,以各焦?fàn)t集氣管蝶閥開度為控制量,控制相應(yīng)焦?fàn)t集氣管壓力。

3.1 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3座焦?fàn)t集氣管壓力和初冷器前壓力控制算法fnc1~fnc4采用同樣的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),取誤差e、誤差變化率δe及其導(dǎo)數(shù)δ2e作為模糊推理控制器輸入,e為δe分別劃分為7個(gè)模糊子集,δ2e劃分為3個(gè)模糊子集,模糊子集隸屬度采用高斯型函數(shù)表示。上述的模糊推理控制器可用一個(gè)如圖4所示的初始神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。初始神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共有四層:輸入層、隸屬函數(shù)生成層、推理層和去模糊化層。輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)n為3,第一層隱含節(jié)點(diǎn)(模糊化)為17,第二層隱含節(jié)點(diǎn)(推理)l為7×7×3=147,一個(gè)輸出點(diǎn)節(jié)。模糊化到推理連接權(quán)重為1。

多變量解耦控制器fnc5采用t-s模糊模型[4],取fnc1~fnc4輸出作為模糊控制器的輸入,三座焦?fàn)t焦氣管蝶閥和鼓風(fēng)機(jī)前閘閥實(shí)際控制輸出作為模糊控制器的輸出,考慮到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)解耦,每個(gè)輸入分別取當(dāng)前三個(gè)時(shí)刻值,從而構(gòu)成12輸入、4輸出多變量解耦模糊控制模型。

3.2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ga優(yōu)化學(xué)習(xí)

對(duì)于單變量和多變量解耦模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),可用遺傳算法(ga)來調(diào)整和優(yōu)化參數(shù)和結(jié)構(gòu),而推理規(guī)則的結(jié)論部分中的權(quán)值wi較為多地具有局部性,可采用智能梯度算法在線調(diào)節(jié)。把兩種學(xué)習(xí)算法結(jié)合起來,可發(fā)揮ga算法的全局搜索結(jié)構(gòu)優(yōu)化能力和梯度算法局部?jī)?yōu)化塊速性。

采用遺傳算法離線訓(xùn)練模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的步驟如下:

(1)采用實(shí)數(shù)編碼方式,隨機(jī)產(chǎn)生n個(gè)實(shí)數(shù)字符串,每個(gè)字符串表示整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一組參數(shù);

(2)將各實(shí)數(shù)字符串譯碼成網(wǎng)絡(luò)的各參數(shù)值,然后計(jì)算每一組參數(shù)的適合度值fi=1/ei(i=1,2……,n),式中ei為定義的誤差指標(biāo)函數(shù),按下列步驟產(chǎn)生新的群體,直到新群體中串總數(shù)達(dá)到n:

①以概率fi/∑fi,fj/∑fj從群體中選出兩個(gè)串si,sj;

②以概率pc對(duì)si,sj進(jìn)行交換,得到新串si,sj;

③以概率pm使si,sj中的各位產(chǎn)生突變(取隨機(jī)數(shù));

④返回第①步,直到產(chǎn)生(n-1)個(gè)新一代的個(gè)體;

⑤所產(chǎn)生的(n-1)個(gè)新一代的個(gè)體連同一代中性能最好的那個(gè)個(gè)體,共同組成新的群體。

(3)返回第(2)步,直到群體中的個(gè)體性能滿足要求為止。群體中適應(yīng)度最好的字符串譯碼后的參數(shù)即為所求參數(shù)。

這里采用一種自適應(yīng)pc和pm方法。用適合度函數(shù)來衡量算法的收斂狀況,其表達(dá)式為:

pc=k1(fmax-f)

pm=k2(fax-f)

式中,fmax、f分別是群體中的最大適合度和平均適合度。由于篇幅的關(guān)系,有關(guān)siso模糊網(wǎng)絡(luò)控制器和多變量解耦控制器的梯度在線學(xué)習(xí)算法請(qǐng)參考文獻(xiàn)[5],在本系統(tǒng)中由模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器用編程控制器提供的浮點(diǎn)運(yùn)算指令完成,在線學(xué)習(xí)算法由上位機(jī)用vc編程,通過通訊修改模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

4 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 專家智能協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)

控制過程開始時(shí)啟動(dòng)基于智能的專家控制系統(tǒng),通過過程特征提取將系統(tǒng)運(yùn)行過程的特征信息如各級(jí)壓力、誤差等送入推理結(jié)構(gòu),推理機(jī)構(gòu)根據(jù)知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則和事實(shí)執(zhí)行推理,給出控制策略。當(dāng)推理得出參數(shù)變化需啟動(dòng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)功能時(shí),保存原參數(shù),并啟動(dòng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)機(jī)制,根據(jù)系統(tǒng)的性能好壞決定是否接受學(xué)習(xí)后的整體參數(shù)。

根據(jù)工藝過程特點(diǎn)、工藝工程師和熟練操作工的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),初冷器前壓力專家設(shè)定采取如下協(xié)調(diào)原因:首先保護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行,如果鼓風(fēng)機(jī)機(jī)前吸力p4高于工藝允許上限制值p4max,則降低鼓風(fēng)機(jī)閘閥開度;如果鼓風(fēng)機(jī)控制閘閥控制輸出u4低于喘震閘閥開度v4min,則維持v4min閘閥開度。然后將鼓風(fēng)機(jī)機(jī)后壓力大小分8段折線,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出初冷器前壓力初步設(shè)定值,并根據(jù)實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整,如果集氣管壓力超過設(shè)定上限制值pmax,閥位超過靈敏區(qū)上限制值vqmax,則降低初冷器前壓力給定;如果3個(gè)集氣管壓力均超過設(shè)定上限制值psmax,則增大鼓風(fēng)機(jī)閘閥控制輸出;如果集氣管壓力小于設(shè)定下限制值pmin,閥位低于靈敏區(qū)下限制值vqmin,則增加初冷器前壓力給定;如果3個(gè)集氣管壓力小于設(shè)定一下限制值psmin,則降低鼓風(fēng)機(jī)閘閥控制輸出。以產(chǎn)生式規(guī)則“if conditions then results”形成的主要規(guī)則為:

r1:if(p5≥xi-1)and(p5

then r4=(yi-yi-1)/(xi-xi-1)+yi-1

r2:if(p1>p1max)and(v1>vlqmax)

then r4=r4-δr

r3:if (p2>p2max)and(v2>v2qmax)

then r4=r4-δr

r4:if (p3>p3max)and (v3>v3qmax)

then r4=r4-δr

r5:if (p1>psmax)and(p2>psmax) and(p3>psmax)

then u*04=u04+limit

r6:if(p1

then r4=r4+δr

r7:if (p2

then r4=r4+δr

r8:if(p3

then r4=r4+δr

r9:if(p1

then u*04=u04-limit

r10:if p4>p4max

then u*4=u4-limit

r11:if u4

上述規(guī)則中xi、yi(i=1,2,…,,7)為初冷器前壓力設(shè)定經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),r4為初冷器前壓力設(shè)定值,δr為設(shè)定增量,u04為集氣管模糊神經(jīng)控制器輸出值,u*04為前級(jí)合成控制輸出,u4為解耦控制鼓風(fēng)機(jī)閘閥控制輸出,u*4為鼓風(fēng)機(jī)閘閥控制最后合成輸出,limit為可能的最小閘閥開度調(diào)節(jié)量,取決于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)精度??删幊炭刂破魈菪螆D很適合上述規(guī)則的編程。四套鼓風(fēng)機(jī)機(jī)組均采用智能專家協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),只是參數(shù)不同。不同機(jī)組運(yùn)行時(shí)自動(dòng)選用相應(yīng)參數(shù)。

4.2 時(shí)間比例數(shù)字輸出控制的實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過專家智能協(xié)調(diào)控制后的輸出,還要經(jīng)過非線性修正,然后采用時(shí)間比例數(shù)字輸出算法并用固態(tài)繼電器直接控制閥門。控制輸出經(jīng)過標(biāo)度變換,轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的時(shí)間。由于小于某一值的脈沖不但不會(huì)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī),還會(huì)使電機(jī)過熱,因此需極小值切除,并且根據(jù)上次開閥方向和本次開閥方向進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償,并根據(jù)閥位測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行故障處理。其框圖如圖5所示。

本系統(tǒng)于1999年6月在湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司焦化廠投入運(yùn)行,實(shí)際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)工作可靠、性能穩(wěn)定、功能齊全、操作方便,控制精度達(dá)到要求。單座焦?fàn)t的調(diào)節(jié)對(duì)其它焦?fàn)t壓力的影響較控制前明顯削弱,對(duì)壓力的最大擾動(dòng)幅度從±200pa下降到±10pa,當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí),能快速調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定,保證壓力穩(wěn)定在工藝要求的范圍內(nèi)。



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