一种基于改进的Smith预估器与遗传算法的燃油蒸汽锅炉燃烧控制方法与流程

本发明属于锅炉燃烧控制领域，具体涉及一种基于改进的smith预估器与遗传算法的燃油蒸汽锅炉燃烧控制方法。

背景技术：

1、锅炉是用来产生蒸汽的热交换设备。它通过煤、燃油或气体等燃料的燃烧释放出大量热能，同时通过传热设备把热量传递给水，水达到一定温度转变为蒸汽，最后将蒸汽直接供给工业或作为生产生活中所需要的热能。燃油蒸汽锅炉燃烧系统因其大时滞、非线性、强耦合的特点，是相对较难控制的对象。在负荷调节时，既要保证蒸汽压力调节的快速性，还要兼顾风油配比，在负荷调节过程中，需要维持较好的过?？掌凳?，既不能冒白烟，也不能冒黑烟。如何较好实现对燃油蒸汽锅炉燃烧过程的控制，保证燃油蒸汽锅炉燃烧控制过程的快速性、稳定性和经济性，是锅炉控制领域的重要课题。

2、传统的燃油蒸汽锅炉燃烧控制方法没有从燃油蒸汽燃烧控制系统自身的大滞后特性去进一步优化燃油蒸汽锅炉的燃烧控制效果，其自身的控制参数也以经验获取为主，并不是最优参数，还有进一步的优化空间。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于改进的smith预估器与遗传算法，通过改进的smith预估器来对燃油蒸汽锅炉燃烧控制系统的大滞后特性进行改进，利用遗传算法对控制系统的控制参数进行优化的基于改进的smith预估器与遗传算法的燃油蒸汽锅炉燃烧控制方法。

2、一种基于改进的smith预估器与遗传算法的燃油蒸汽锅炉燃烧控制方法，包括如下步骤：

3、步骤1：对传统的燃烧控制系统中的闭环控制器结构进行改进，加入改进的smith预估器构成基于改进的smith预估器比例-积分控制器；

4、步骤2：确定待优化参数，应用遗传算法对比例-积分微分控制器的比例、积分值以及改进的smith预估器参数进行寻优。待优化的参数为燃油流量控制器比例系数、燃油流量控制器积分系数、空气压力控制器比例系数、空气压力控制器积分系数和改进的smith预估器滤波系数；

5、步骤3：进行编码，将解空间的数据编码成基因串形式；

6、步骤4：设置种群规模、最大进化代数；

7、步骤5：随机生成初始种群；

8、步骤6：设置目标函数，将目标函数转换为适应度函数；

9、步骤7：进行适应度评估，计算群体中各个个体的适应度；

10、步骤8：进行选择运算，从当前种群中选择出适应度较高的个体，使其有更大的概率被选入下一代种群；

11、步骤9：进行交叉运算，通过将两个个体的基因染色体进行交叉，产生新的个体；

12、步骤10：进行变异运算，通过对个体基因进行随机变动，产生新的个体；

13、步骤11：重复步骤7-10，直到迭代到设置的最大进化代数；

14、步骤12：得到寻优后的比例、积分参数以及改进的smith预估器参数；

15、步骤13：将燃油流量实际值、空气压力实际值和主蒸汽压力实际值作为被控对象，采用流量传感器和压力传感器获取被控对象实际值；

16、步骤14：将优化后的参数应用于燃油蒸汽锅炉燃烧控制系统中。

17、进一步地，所述步骤1，传统的比例-积分控制系统闭环传递函数为：

18、

19、其中，gc(s)为比例-积分控制器传递函数，g(s)为控制系统传递函数；

20、基于改进的smith预估器的比例-积分控制器的闭环传递函数为：

21、

22、其中，gp(s)为被控对象非时滞部分传递函数，τ为被控对象时滞因子，gm(s)为预估器非时滞部分传递函数，τm为预估器时滞因子，eτs为被控对象纯延迟环节，为预估器纯延迟环节，tf为改进的smith预估器自适应控制参数。

23、进一步地，所述步骤3中，对待优化参数进行编码，将解空间的数据编码成基因串形式：

24、燃油流量控制器的比例系数kpf的范围为[0.1,2]，燃油流量控制器积分系数kif的范围为[0.01,1]，空气压力控制器比例系数kpa的范围为[0.1,2]，空气压力控制器积分系数kia的范围为[0.01,0.5]，改进的smith预估器滤波系数kf的范围为[2,20]；

25、采用二进制编码方式进行编码，编码精度为10-3，即数据精确到小数点后3位。

26、由此可计算二进制编码的编码长度j：

27、(20-2)/10-3＝18000＜2j

28、由此可得二进制编码的编码长度j应为15。

29、进一步地，所述步骤6中，设置目标函数，目标函数j设置为:

30、

31、其中，e为蒸汽压力偏差，单位为mpa，ea为过?？掌凳?，t为时间，单位为s，ω为常数，ω取值可根据实际情况进行调整，其取值应大于0，在此处取ω＝30。

32、使用e蒸汽压力偏差作为优化依据，是因为对于被控对象燃油流量实际值、空气压力实际值来说，燃油蒸汽锅炉的工作原理即将燃料和空气燃烧产生蒸汽，改变燃油流量实际值、空气压力实际值的结果即为蒸汽压力实际值的变化；

33、在进行最小值寻优时需要对目标函数j进行取倒数处理，得到适应度函数f：

34、

35、本发明的有益效果在于：本发明的一种基于改进的smith预估器与遗传算法的燃油蒸汽锅炉燃烧控制方法，首先通过改进的smith预估器来对燃油蒸汽锅炉燃烧控制系统的大滞后特性进行改进，然后通过遗传算法不断迭代，对控制系统的控制参数进行优化，最终得到最优控制参数，用于完成燃油蒸汽锅炉燃烧控制任务。本发明方法相较于传统燃油蒸汽锅炉燃烧控制方法有如下优势：

36、一、采用改进的smith预估器对传统的比例-积分闭环控制器结构进行改进，减小燃油蒸汽锅炉燃烧控制系统的大滞后特性对控制效果产生的影响。

37、二、采用遗传算法对控制参数进行寻优，得到最优的控制参数。在保证燃烧系统在负荷变时调节的快速性、稳定性的同时，保证合理的过?？掌凳?。

38、三、将最优控制参数应用于燃烧控制系统，在保证燃烧系统在负荷变时调节的快速性、稳定性的同时，保证合理的过?？掌凳?。

技术特征：

1.一种基于改进的smith预估器与遗传算法的燃油蒸汽锅炉燃烧控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于改进的smith预估器与遗传算法的燃油蒸汽锅炉燃烧控制方法，其特征在于，所述步骤1，传统的比例-积分控制系统闭环传递函数为：

3.根据权利要求1所述的一种基于改进的smith预估器与遗传算法的燃油蒸汽锅炉燃烧控制方法，其特征在于，所述步骤3中，对待优化参数进行编码，将解空间的数据编码成基因串形式：

4.根据权利要求1所述的一种基于改进的smith预估器与遗传算法的燃油蒸汽锅炉燃烧控制方法，其特征在于，所述步骤6中，设置目标函数，目标函数j设置为:

技术总结
本发明属于锅炉燃烧控制领域，涉及一种基于改进的Smith预估器与遗传算法的燃油蒸汽锅炉燃烧控制方法。本发明公开了一种基于改进的Smith预估器与遗传算法的燃油蒸汽锅炉燃烧控制方法，首先对传统的燃油锅炉燃烧控制系统中的闭环控制器结构进行改进，加入改进的Smith预估器构成基于Smith预估器改进的比例?积分控制器；然后应用遗传算法对比例?积分微分控制器的比例、积分值以及改进的Smith预估器参数进行寻优，在达到最大进化代数后，得到最优控制参数；最后，将最优控制参数应用于燃油锅炉燃烧控制系统中以获取最佳的控制效果，本发明可有效完成燃油锅炉燃烧控制任务。

技术研发人员：毛宇涵,白钰,张亮,马宇婷
受?；さ募际跏褂谜撸?/b>中国船舶集团有限公司第七〇三研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24