本發(fā)明屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種基于蟻群算法的氣化裝置pid(p是比例增益,i是積分時(shí)間,d是微分時(shí)間)參數(shù)整定方法。
背景技術(shù):
目前,粉煤加壓氣化技術(shù)是一種重要的清潔能源生產(chǎn)方式。以粉煤為原料的氣化技術(shù)具有煤種適應(yīng)性廣、原料消耗低、碳轉(zhuǎn)化率高等技術(shù)優(yōu)勢(shì),有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。粉煤加壓氣化工藝是以粉煤和純氧為原料,在高溫、高壓、非催化條件下在氣化爐內(nèi)進(jìn)行部分氧化反應(yīng),生成以一氧化碳和氫氣為有效成分的粗合成氣。煤氣化裝置含有多條控制回路,大部分采用pid控制。pid控制回路的正常工作,是保證煤氣化裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ),也是采用先進(jìn)過(guò)程控制、操作優(yōu)化、質(zhì)量管理、節(jié)能策略的基礎(chǔ)。pid參數(shù)的優(yōu)化與否直接影響著控制效果。優(yōu)化方法一般分為工程整定法和理論計(jì)算法。工程整定法,主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn),直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行,雖然方法簡(jiǎn)單,但往往控制效果不理想。理論計(jì)算法,依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。該類(lèi)算法得出的結(jié)果具有很高的可信度和代表性,控制效果也很理想。
現(xiàn)有的煤氣化裝置的控制回路參數(shù),多采用工程整定法,由于整定的參數(shù)不具有代表性,導(dǎo)致存在現(xiàn)場(chǎng)的很多控制回路都停留在手動(dòng)狀態(tài),耗費(fèi)大量人力,控制效果不佳,造成了生產(chǎn)原料的浪費(fèi)等問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于,提供一種基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法,解決現(xiàn)有技術(shù)中由于整定的參數(shù)不具有代表性,導(dǎo)致存在的控制回路都停留在手動(dòng)狀態(tài),耗費(fèi)大量人力,控制效果不佳,造成了生產(chǎn)原料的浪費(fèi)等問(wèn)題,通過(guò)得到優(yōu)化后的控制器參數(shù),使氣化裝置控制回路能夠平穩(wěn)地投用自動(dòng)控制,控制回路正常運(yùn)行時(shí)不需人為干預(yù),讓操作員解放雙手,節(jié)約人力成本,提高生產(chǎn)效率,同時(shí)降低生產(chǎn)成本,節(jié)約能源。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供一種基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法,包括建模分析、參數(shù)優(yōu)化和仿真驗(yàn)證,具體包括以下步驟:
第一步,模型辨識(shí):采用帶遺忘因子的遞推增廣最小二乘法,對(duì)氣化裝置控制回路進(jìn)行模型辨識(shí);建模步驟如下:
一、選用限幅濾波和遞推平均濾波法兩者相結(jié)合的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;
二、采用最大最小之法進(jìn)行歸一化處理;
三、采用帶遺忘因子的遞推增廣最小二乘法進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí);
四、根據(jù)平均值誤差判斷模型收斂性;
五、模型仿真和驗(yàn)證;
第二步,采用蟻群算法對(duì)建模后的控制回路進(jìn)行pid參數(shù)優(yōu)化:
利用蟻群算法對(duì)煤氣化裝置各回路進(jìn)行pid參數(shù)尋優(yōu),目標(biāo)函數(shù)為:j=∫(e(t)2+λu(t)2)dt,j為目標(biāo)函數(shù)值,e(t)為偏差量,u(t)為控制量,λ為控制量加權(quán);尋優(yōu)步驟如下:
一、確定模型;
二、得出尋優(yōu)后修正結(jié)果比例增益kp和積分時(shí)間ti;
三、繪制仿真曲線圖;
四、進(jìn)行魯棒性分析。
在以上方案中優(yōu)選的是,第一步中第三項(xiàng)中,采用遞推增廣最小二乘法獲得carima模型,再轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)模型。
在以上任一方案中優(yōu)選的是,第二步第三項(xiàng)中,繪制現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行曲線圖。
在以上任一方案中優(yōu)選的是,第二步第三項(xiàng)中,繪制優(yōu)化后的pid參數(shù)控制效果圖。
在以上任一方案中優(yōu)選的是,第二步第三項(xiàng)中,繪制同一偏差調(diào)節(jié)曲線對(duì)比圖。
在以上任一方案中優(yōu)選的是,第一步第五項(xiàng)中,繪制模型輸出跟蹤曲線圖。
在以上任一方案中優(yōu)選的是,第二步第四項(xiàng)中,先令模型增益增加100%,得出變化后的模型及其仿真結(jié)果,然后再令模型增益減小20%,得出變化后的模型及其仿真結(jié)果。
在以上任一方案中優(yōu)選的是,第二步第四項(xiàng)中,繪制增益增加100%后仿真結(jié)果圖和增益減少20%后仿真結(jié)果圖。
在以上任一方案中優(yōu)選的是,該方法應(yīng)用于高壓閃蒸罐液位調(diào)節(jié)回路。
在以上任一方案中優(yōu)選的是,該方法應(yīng)用于對(duì)液位控制器pid參數(shù)進(jìn)行整定。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明的一種基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法,能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中由于整定的參數(shù)不具有代表性,導(dǎo)致存在的控制回路都停留在手動(dòng)狀態(tài),耗費(fèi)大量人力,控制效果不佳,造成了生產(chǎn)原料的浪費(fèi)等問(wèn)題,通過(guò)得到優(yōu)化后的控制器參數(shù),使氣化裝置控制回路能夠平穩(wěn)地投用自動(dòng)控制,控制回路正常運(yùn)行時(shí)不需人為干預(yù),讓操作員解放雙手,節(jié)約人力成本,提高生產(chǎn)效率,同時(shí)降低生產(chǎn)成本,節(jié)約能源,使控制回路能夠自動(dòng)運(yùn)行,提高裝置自動(dòng)投用率,取得滿(mǎn)意的控制效果。
附圖說(shuō)明
下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:
圖1是本發(fā)明的基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法的蟻群算法流程圖;
圖2是本發(fā)明的基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法的系統(tǒng)辨識(shí)原理圖;
圖3是本發(fā)明的基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法的高壓閃蒸罐液位控制流程示意圖;
圖4是本發(fā)明的基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法的實(shí)施裝置結(jié)構(gòu)示意圖;
圖5是本發(fā)明的基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法的l8lc-1003模型輸出跟蹤曲線圖;
圖6是本發(fā)明的基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行曲線圖;
圖7是本發(fā)明的基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法的優(yōu)化后的pid參數(shù)控制效果圖;
圖8是本發(fā)明的基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法的同一偏差調(diào)節(jié)曲線對(duì)比圖;
圖9是本發(fā)明的基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法的增益增加100%后仿真結(jié)果圖;
圖10是本發(fā)明的基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法的增益減少20%后仿真結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)有的氣化裝置控制回路主要采用工程整定法或經(jīng)驗(yàn)法獲得pid參數(shù),但控制效果不佳,導(dǎo)致控制回路無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,需要操作人員手動(dòng)調(diào)節(jié),無(wú)法獲得令人滿(mǎn)意的控制效果,浪費(fèi)大量人力成本和生產(chǎn)資源。本發(fā)明采用蟻群算法對(duì)氣化爐pid控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,使控制回路能夠自動(dòng)運(yùn)行,提高裝置自動(dòng)投用率,取得滿(mǎn)意的控制效果。
本發(fā)明的一種基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法,其通過(guò)pid參數(shù)優(yōu)化方法中的理論計(jì)算法依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。蟻群算法是一種pid參數(shù)整定理論計(jì)算法的,是一種新型模擬進(jìn)化算法,可有效解決連續(xù)空間優(yōu)化問(wèn)題。本發(fā)明采用蟻群算法對(duì)煤氣化裝置控制回路進(jìn)行pid參數(shù)優(yōu)化,從而得到一組相對(duì)優(yōu)化的參數(shù),使各個(gè)回路能夠做到及時(shí)準(zhǔn)確的自動(dòng)控制。
本發(fā)明采用的蟻群算法是一種新型的模擬進(jìn)化算法,是對(duì)自然界螞蟻的尋徑方式進(jìn)行模擬而得出的一種仿生算法。螞蟻在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,能夠在它所經(jīng)過(guò)的路徑上留下一種稱(chēng)之為外激素的物質(zhì)進(jìn)行信息傳遞,而且螞蟻在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠感知這種物質(zhì),并以此指導(dǎo)自己的運(yùn)動(dòng)方向,因此由大量螞蟻組成的蟻群集體行為便表現(xiàn)出一種信息正反饋現(xiàn)象:某一路徑上走過(guò)的螞蟻越多,則后來(lái)者選擇該路徑的概率就越大。
參見(jiàn)圖1,基本的蟻群算法可以簡(jiǎn)單表述如下:在0時(shí)刻進(jìn)行初始化過(guò)程,螞蟻放置在不同的城市,每一條邊都有一個(gè)初始化外激素強(qiáng)度值,設(shè)為τij(0)。每一只螞蟻禁忌表的第一個(gè)元素置為它的開(kāi)始城市。然后,每一只螞蟻從城市i移動(dòng)到城市j,依據(jù)兩個(gè)變量的概率函數(shù)選擇移動(dòng)城市(包括參數(shù)α和β,見(jiàn)公式(1.4))。在n次循環(huán)后,所有螞蟻都完成了一次周游,同時(shí)他們的禁忌表將滿(mǎn),這時(shí),計(jì)算每一只螞蟻k的路徑長(zhǎng)度lk,
信息素更新公式:
τij(t+n)=ρ·τij(t)+δτij(1.1)
其中,ρ是一個(gè)參數(shù),1-ρ表示在時(shí)刻t和t+n之間外激素的蒸發(fā),
q是一個(gè)常數(shù),lk是第k只螞蟻周游的路程長(zhǎng)度。
第k只螞蟻從城市i移動(dòng)到城市j的躍遷概率為:
其中φk={n-tabuk},n為一組城市,tabuk表示第k只螞蟻的禁忌表,α和β分別為控制外激素與可見(jiàn)度的相對(duì)重要程度,躍遷概率是可見(jiàn)度和t時(shí)刻外激素強(qiáng)度的權(quán)衡。
本發(fā)明采用的pid控制回路的模型辨識(shí)采用帶遺忘因子的遞推最小二乘法。模型辨識(shí)的目的就是建立能夠描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型,最小二乘法原理簡(jiǎn)單易懂,計(jì)算方便。遞推增廣最小二乘法是最小二乘法的改進(jìn)算法,能夠在有色噪聲的情況下給出參數(shù)的一致估計(jì)量,并能夠減少計(jì)算量,滿(mǎn)足在線估計(jì)與自適應(yīng)校正的要求。同時(shí)引入遺忘因子,以避免數(shù)據(jù)飽和現(xiàn)象,使模型能夠及時(shí)跟蹤參數(shù)變化,參見(jiàn)圖2;
對(duì)于siso(singleinputsingleoutput,單輸入單輸出系統(tǒng))系統(tǒng):
其中,yk和uk分別表示線性系統(tǒng)輸出和輸入,ek表示系統(tǒng)噪聲。
可寫(xiě)成:
a(z-1)yk=z-db(z-1)uk+ek(2.2)
其中:
噪聲{ek}為白噪聲,滿(mǎn)足:
e(ek),cov(ek,uj)表示噪聲的均值和協(xié)方差。
siso系統(tǒng)可以寫(xiě)成最小二乘格式lsf:
其中:
當(dāng)進(jìn)行了l次量測(cè),得到{yk}和{uk},k=1,2,…,l時(shí),可將批量最小二乘格式寫(xiě)為:
yl=φl(shuí)θ+el(2.8)
定義:
則遞推增廣最小二乘法公式為:
初始估計(jì):
引入遺忘因子λ,修改目標(biāo)函數(shù)jk,對(duì)殘差平方加指數(shù)權(quán)λ,則
其中
為了更好地理解本發(fā)明,下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)說(shuō)明。但是,顯然可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行不同的變型和改型而不超出后附權(quán)利要求限定的本發(fā)明更寬的精神和范圍。因此,以下實(shí)施例具有例示性的而沒(méi)有限制的含義。
實(shí)施例1:
一種基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法,包括建模分析、參數(shù)優(yōu)化和仿真驗(yàn)證,具體包括以下步驟:
第一步,模型辨識(shí):參見(jiàn)圖2,采用帶遺忘因子的遞推增廣最小二乘法,對(duì)氣化裝置控制回路進(jìn)行模型辨識(shí);建模步驟如下:
一、選用限幅濾波和遞推平均濾波法兩者相結(jié)合的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;
二、采用最大最小之法進(jìn)行歸一化處理;
三、采用帶遺忘因子的遞推增廣最小二乘法進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí);
四、根據(jù)平均值誤差判斷模型收斂性;
五、模型仿真和驗(yàn)證;
第二步,參見(jiàn)圖1,采用蟻群算法對(duì)建模后的控制回路進(jìn)行pid參數(shù)優(yōu)化:
利用蟻群算法對(duì)煤氣化裝置各回路進(jìn)行pid參數(shù)尋優(yōu),目標(biāo)函數(shù)為:j=∫(e(t)2+λu(t)2)dt,j為目標(biāo)函數(shù)值,e(t)為偏差量,u(t)為控制量,λ為控制量加權(quán);尋優(yōu)步驟如下:
一、確定模型;
二、得出尋優(yōu)后修正結(jié)果比例增益kp和積分時(shí)間ti;
三、繪制仿真曲線圖;
四、進(jìn)行魯棒性分析。
實(shí)施例2:
一種基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法,同實(shí)施例1,所不同的是,第一步中第三項(xiàng)中,采用遞推增廣最小二乘法獲得carima模型(carima模型:controlledauto-regressiveintegralmovingaverage,受控自回歸積分滑動(dòng)平均模型),再轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)模型。第二步第三項(xiàng)中,繪制現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行曲線圖、優(yōu)化后的pid參數(shù)控制效果圖和同一偏差調(diào)節(jié)曲線對(duì)比圖。第一步第五項(xiàng)中,繪制模型輸出跟蹤曲線圖。第二步第四項(xiàng)中,先令模型增益增加100%,得出變化后的模型及其仿真結(jié)果,然后再令模型增益減小20%,得出變化后的模型及其仿真結(jié)果。第二步第四項(xiàng)中,繪制增益增加100%后仿真結(jié)果圖和增益減少20%后仿真結(jié)果圖。
實(shí)施例3:
一種基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法,同實(shí)施例2,所不同的是,參見(jiàn)圖3,該方法應(yīng)用于高壓閃蒸罐液位調(diào)節(jié)回路,以對(duì)液位控制器pid參數(shù)進(jìn)行整定;具體包括以下步驟:
第一步,模型辨識(shí):采用帶遺忘因子的遞推增廣最小二乘法,對(duì)氣化裝置控制回路進(jìn)行模型辨識(shí);
建模步驟如下:
一、選用限幅濾波和遞推平均濾波法兩者相結(jié)合的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;
二、采用最大最小之法進(jìn)行歸一化處理;
三、采用帶遺忘因子的遞推增廣最小二乘法進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí);
四、根據(jù)平均值誤差判斷模型收斂性;
五、進(jìn)行模型仿真和驗(yàn)證;
采用遞推增廣最小二乘法獲得參數(shù)模型:a1=-0.722,b0=0.043,轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)模型為:
參見(jiàn)圖4為辨識(shí)出的模型對(duì)輸入的跟蹤情況,可以看出,模型跟蹤快速準(zhǔn)確。注:橫坐標(biāo)為時(shí)間,單位為秒s,縱坐標(biāo)為歸一化后的液位值,單位為1;
第二步,采用蟻群算法對(duì)建模后的控制回路進(jìn)行pid參數(shù)優(yōu)化;
利用蟻群算法對(duì)煤氣化裝置各回路進(jìn)行pid參數(shù)尋優(yōu),目標(biāo)函數(shù)為:j=∫(e(t)2+λu(t)2)dt,λ為控制量加權(quán);
對(duì)于一般工業(yè)過(guò)程來(lái)說(shuō),pi控制器已足夠,微分控制器容易引進(jìn)震蕩,因此,本發(fā)明也僅對(duì)pi控制器進(jìn)行優(yōu)化;
一、建立傳遞函數(shù)模型g(s):
傳遞函數(shù)是復(fù)變量s的有理真分式函數(shù),通過(guò)模型辨識(shí),本實(shí)例模型為時(shí)間常數(shù)t為15,增益為0.16的一階慣性環(huán)節(jié),即:
二、尋優(yōu)后修正結(jié)果為:
kp=9.5,ti=12;
三、繪制仿真曲線圖,圖5為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行曲線,可以看出,現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行振蕩較大,控制效果不佳;圖6為pid參數(shù)優(yōu)化后的控制仿真曲線,控制過(guò)程無(wú)超調(diào),穩(wěn)態(tài)余差很小,跟蹤快速,效果良好;圖7為同一偏差下的優(yōu)化前后控制曲線,可見(jiàn),優(yōu)化后控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于優(yōu)化前控制效果。注:圖5至圖7橫坐標(biāo)為時(shí)間,單位為秒s,縱坐標(biāo)為液位,單位為百分比%;
四、魯棒性分析,
令模型增益增加100%,模型變?yōu)椋?/p>
仿真效果參見(jiàn)圖8,注:橫坐標(biāo)為時(shí)間,單位為秒s,縱坐標(biāo)為液位,單位為百分比%;
令模型增益減小20%,模型變?yōu)椋?/p>
仿真效果參見(jiàn)圖9,注:橫坐標(biāo)為時(shí)間,單位為秒s,縱坐標(biāo)為液位,單位為百分比%;;
可以看出,即使模型失配,優(yōu)化后的pid參數(shù)仍然能夠準(zhǔn)確的跟蹤輸入,說(shuō)明該控制器的魯棒性很強(qiáng)??梢?jiàn),將采用蟻群算法對(duì)煤氣化裝置控制回路進(jìn)行pid參數(shù)優(yōu)化,從而得到一組相對(duì)優(yōu)化的參數(shù),使各個(gè)回路能夠做到及時(shí)準(zhǔn)確的自動(dòng)控制。
參見(jiàn)圖3,本發(fā)明的基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法,其中高壓閃蒸裝置作為氣化裝置典型回路,包括高壓閃蒸罐101,高壓閃蒸罐101的上部與進(jìn)料組件102相連接,高壓閃蒸罐101的下部通過(guò)液位調(diào)節(jié)閥103與出料組件104相連接;高壓閃蒸罐101的側(cè)面設(shè)置有液位測(cè)量組件105,液位測(cè)量組件105與液位調(diào)節(jié)閥103之間通過(guò)液位控制器106相連接。
參見(jiàn)圖4,本發(fā)明的基于蟻群算法的氣化裝置pid參數(shù)整定方法,其實(shí)施裝置包括依次連接的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量變送器201、第一安全柵202、ai(模擬量輸入)信號(hào)卡件203、控制器204、ao(模擬量輸出信號(hào))信號(hào)卡件207和第二安全柵208;控制器204通過(guò)服務(wù)器205與上位機(jī)206相連接。
第二安全柵208和液位調(diào)節(jié)閥103相連接;
優(yōu)選的,液位調(diào)節(jié)閥103設(shè)置在氣化裝置的高壓閃蒸罐101與其出料組件104之間,出料組件104設(shè)置在高壓閃蒸罐101的下部;液位調(diào)節(jié)閥103與高壓閃蒸罐101側(cè)面設(shè)置的液位測(cè)量組件105之間連接設(shè)置有液位控制器106,基于蟻群算法的液位控制器106在控制器204中實(shí)現(xiàn)。
優(yōu)選的,液位控制器106為pid控制器。
優(yōu)選的,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量變送器201將4~20ma信號(hào)通過(guò)第一安全柵202和ai信號(hào)卡件203傳輸至控制器204中,并進(jìn)行信號(hào)處理,且在控制器204中完成對(duì)回路的控制過(guò)程。
優(yōu)選的,上位機(jī)206設(shè)置有人機(jī)交互界面。
優(yōu)選的,蟻群算法優(yōu)化后的參數(shù)在上位機(jī)206中進(jìn)行優(yōu)化修改,并通過(guò)服務(wù)器205及網(wǎng)絡(luò)與控制器204進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,控制器204將運(yùn)算后的數(shù)據(jù)通過(guò)ao信號(hào)卡件207和第二安全柵208傳輸至現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)定位器,以控制現(xiàn)場(chǎng)的液位調(diào)節(jié)閥103。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。