新型智能控制系统研究及其在热工过程控制中的应用
|
摘要
本文研究了新型智能控制系统及其在热工过程控制中的应用。首先，提出了两种智能控制器设计方法：具有参数自校正功能的模糊PID控制器；具有规则库自调整功能的模糊控制器。其次，针对热工对象存在大惯性、大迟延问题，设计了一种基于性能指标的规则库可优化的模糊控制器；针对热工对象存在大范围变工况问题，设计了一种适合于全工况范围变化的智能串级控制系统。再次，基于模糊控制和滑模控制的特点，对模糊系统的学习算法进行了研究，提出了一种后件参数在线自学习的模糊控制算法。并同时将上述算法分别应用于火电厂热工控制中。最后，在上述自学习模糊控制算法中，引入论域伸缩因子，研究并设计出一种适合多变量控制系统的变论域模糊控制算法，运用Lyapunov方法证明了算法的收敛性，并应用于火电厂单元机组协调控制系统中。通过大量仿真实验，证明了本文所提出的控制算法的有效性。
The Intelligent control system and its application in thermal process control are researched in this paper. Firstly, two intelligent control algorithms are proposed: a self-tuning fuzzy PID controller and a fuzzy controller with fine-tuning rule base. Secondly, a fuzzy controller based on performance index is designed, which is suitable for the object with large inertia and delay; considering the variable model of the object in the different set point, a intelligent cascade control system is presented. Thirdly, the on-line learning algorithm for the output parameter of fuzzy slide mode controller is given, simultaneously, above methods are respectively applied to the process control of unit in power plant. Finally, a fuzzy control strategy with variable universe for MIMO systems is designed by adding a flex gene to the learning algorithm. The convergence of the learning algorithm is proved through Lyapunov method, and it is applied to the coordinated control system for the boiler-turbine unit. A great of simulation results show the advantages of these presented control strategies in this paper.
The Intelligent control system and its application in thermal process control are researched in this paper. Firstly, two intelligent control algorithms are proposed: a self-tuning fuzzy PID controller and a fuzzy controller with fine-tuning rule base. Secondly, a fuzzy controller based on performance index is designed, which is suitable for the object with large inertia and delay; considering the variable model of the object in the different set point, a intelligent cascade control system is presented. Thirdly, the on-line learning algorithm for the output parameter of fuzzy slide mode controller is given, simultaneously, above methods are respectively applied to the process control of unit in power plant. Finally, a fuzzy control strategy with variable universe for MIMO systems is designed by adding a flex gene to the learning algorithm. The convergence of the learning algorithm is proved through Lyapunov method, and it is applied to the coordinated control system for the boiler-turbine unit. A great of simulation results show the advantages of these presented control strategies in this paper.
引文
[1]李士勇。模糊控制、神经控制和智能控制论。哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社。1996。
[2]李友善，李军。模糊控制理论及其在过程控制中的应用。北京：国防工业出版社，1993。
[3]孙增圻，张再兴，智能控制理论与技术。北京：清华大学出版社，南宁：广西科学技术出版社：1997。
[4]陶永华，尹怡性欣等。新型PID控制及应用。北京：机械工业出版社。1999。
[5]诸静。模糊控制原理及应用。北京：机械工业出版社。
[6]袁南儿，王万良，苏宏业。计算机新型控制策略及应用。北京：清华大学出版社。1998。
[7]王永骥，涂健。神经元网络控制。北京：机械工业出版社。1997。
[8]Ranjani K.Mudi, Nikhil R. Pal, A Robust Self-Tuning Scheme For Pi- And Pd-Type Fuzzy Controllers.Ieee,Transactions On Fuzzy Systems.1999,7,(1):2-15.
[9] Dr.Abdel Azim S Ibrahim, A New Self-Tuning Method For Fuzzy Control. IEEE, MELECON 2002.
[10]P.J.Escamilla-Ambrosio,And N.Mort. A Novel Design And Tuning Procedure For PID Type Fuzzy Logic Controllers. IEEE Symposium 2002.
[11]W.Z.Qiao,And M.Mizumoto, PID Type Fuzzy Controller And Parameters Adaptive Method,Fuzzy Sets And Systems. 1996,pp:23-35.
[12]G.K.I.Mann,B.G.Hu,And R.G.Gosine, Two-Level Tuning Of Fuzzy PID Controllers,IEEE Transactions On Syst,Man And Cybernetics. 1991, 21, (5): pp: 952-960
[13]Jen-Yang Chen And Ying-Hao Lin, A Self-Tuning Fuzzy Controller Design. IEEE.
[14]Ahmed E1 Dessouky,Mohammed Tarbouchi, Fuzzy Model Reference Self-Tuning Controller.IEEE,AMC,pp:153-158.
[15]Ning Wang A Fuzzy PID Controller For Multi-Model Plants. Proceedings Of The First International Conference On Machine Learning And Cyber-netics, 2002,pp:1401-1403
[16]范永胜等，基于动态特性机理分析的锅炉过热汽温自适应模糊控制系统研究，电机工程学报，1997，17（1）：23—28。
[17]Jacob S. Glower And Jeffrey Munighan, Designing Fuzzy Controllers From A Variable Structures Standpoint. IEEE Transactions On Fuzzy Systems, 1997,5（1）:138-143.
[18]C.C.Kung And S.C.Lin, Fuzzy Controller Design: A Sliding Mode Approach, In Fuzzy Reasoning In Information,Decision,And Control Systems. 1994, pp. 277-306.
[19]H. X. Li, H. B. Gatland, And A. W. Green, Fuzzy Variable Structure Control, Ieee Transactions On Systems, Man, And, Cybernetics.1997,27(2): 306-312.
[20]C.W.Tao And Jin-Shiuh Taur, Flexible Complexity Reduced PID-Like Fuzzy Controllers. IEEE Transactions On Systems,Man,And,Cybernetics. 2000,30,(4):510-516.
[21]Z.M.Yeh, A Performance Approach To Fuzzy Control Design For Nonlinear Systems,to appear in fuzzy sets and systems,1995.
[22]Z.M.Yeh, An On-Line Regulating Fuzzy Logic Controller For Nonlinear Systems. Proc. Of Frist Asian Fuzzy Systems,Fuzzy Control 1,1993.
[23]L.Shi, S.Singh,Decentralized Adaptive Controller Design For Large-Scale Systems With Higher Order Interconnections,IEEE Trans.Automat.Control,1992, 37(8):1106-1118.
[24]Zong-Mu Yeh, A Decentralized Fuzzy Logic Controller Design. IEEE,1994,pp:602-606.
[25]Zong-Mu Yeh, How-Gao Hsu And Ching-Chieh Lien. A Decentralized Learning Controller For Nonlinear Systems.IEEE,pp:110-113.
[26]徐育新，侯国莲，张建华，提高Smith预测控制系统鲁棒性的方法研究。现代电力，2003，20（2）：64-66。
[27]zhang lixiang, jiang aiqin,han dongchen, the big capacity boiler superheated steam temperature fuzzy-smith control system. Proceeding of 4th world congress on
intelligent control and automation,2002,pp:1872-1876.
[28]Yong qin Li-Min Jia Xi-Di Zhang ，The Design Methodology for the Multivariable Fuzzy Controller and Its Learning Rule。IEEE International Conference on Intelligent Processing Systems，1997:271-275。
[29]Qin, Yong Jia, Limin，Design of Self-learning Multivariable Fuzzy Controller Based on Fuzzy Sliding-mode。IEEE Intelligent Control and Automation，2000。
[30]秦勇 贾利民 张锡第，基于模糊穴的多变量模糊滑模控制器。中国铁道科学，1997，18（1）：92-100。
[31]贾利民，张锡第，谢肇桐，处理复杂系统的模糊穴映射方法（英文）。控制理论与应用，Vol .13, No.1, 1996
[32]秦勇，多变量模糊系统理论及应用研究。北京：铁道部科学研究院博士论文，1999
[33]冯纯伯（Feng Chumbo）。非线性控制系统分析与设计（Analysis and design of nonlinear control system）[M]。南京，东南大学出版社（Nanjing,Southeast University Press）。1990
[34]王立新。自适应模糊系统与控制——设计与稳定性分析。北京，国防工业出版社。1995
[35] Layne J R. Fuzzy Model Reference Learning Control For Cargo Ship Steering. IEEE Contr Syst，1993，13(5)：23-24
[36] Palm R. Tuning Of Scaling Factors In Fuzzy Controllers Using Correlation Functions. Proc. Of FUZZ-IEEE’93，San Francisco，1993：691-696
[37] Wang L X. Stable Adaptive Fuzzy Control Of Nonlinear Systems. IEEE 1992 Conf. On Decision And Control，Tucson，1992：26511-2516.
[38]杨勇，文炼红，谈雯，基于神经元自适应调节的液压伺服系统滑模变结构控制。 武汉水利电力大学学报，2000，33（6）：81-83。
[39]邴阳，徐殿国，王宗培，磁阻电机的模糊自学习控制。电机与控制学报，1998，2（2）：100-103。
[40]基于模糊自学习的交流直线伺服系统滑模变结构控制。电工技术学报，2001，16（1）：52-56。
[41]wang lixin，mendel jerry m. fuzzy basis functions universal approximation and orthogonal least-squares learning. IEEE trans. Neural network，1992，3（5）：808-814。
[42]孙宜标，郭庆鼎，孙一丹，基于神经元补偿的直线伺服系统全程滑模控制。沈阳工业大学学报，2002，24（6）：473-476。
[43]王丰尧，滑模变结构控制[M]。北京：机械工业出版社，1995。
[44]吕剑虹，陈建勤，陈来九（Lu Jianhong, Chen Jianqin, ChenLaijiu）,基于自适应神经元模型的火电单元机组负荷控制系统仿真研究（A simulation study on load control system of thermal power unit based on adaptive neural model）[J]。中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），1995，15(1),1-7。
[45]张建明，王宁，王树青（Zhang Jianming,Wang Ning,Wang Shuqing）,火电单元机组的模糊神经元协调控制（Fuzzy-neuro compound coordination control for a unit of power plant）[J]。动力工程（Power Engineering）,1999,19(3)，38-42。
[46]张建明，王宁，王树青（Zhang Jianming,Wang Ning, Wang Shuqing）。火电单元机组的前馈模糊神经非模型协调控制（Fuzzy neuron model-free coordination control with feed-forward compensation for a unit power plant）[J]，动力工程（Power Engineering），2000，20（3），664-668。
[47]张栾英，孙万云，火电厂过程控制，中国电力出版社，2000。
[48]刘吉臻，协调控制与给水全程控制，中国电力出版社，1995。
[49]李遵基，热工自动控制系统，北京：中国电力出版社，1997。
[50]李洪兴，模糊控制的插值机理。中国科学（E辑），1998，28（3）：259-267。
[51]李洪兴，变论域自适应模糊控制器。中国科学（E辑），1999，29（1）：32-42。
[52]李洪兴，非线性系统的变论域稳定自适应模糊控制。中国科学（E辑），1999，29（1）：32-42。
[53]李洪兴，四级倒立摆的变论域自适应模糊控制。中国科学（E辑），2002，32（1）：65-75。
[54] 李洪兴。Fuzzy控制的本质与一类高精度Fuzzy控制器的设计。控制理论与应用。14（6）：868-872，1997。
[55] R.R.Yager And D.P.Filev. Analysis Of Flexible Structured Fuzzy Logic
Controllers.Ieee Trans.On System,Man And Cybenetics.24(7):1035-1042,1994
[56]Ching-Chang Wong，Bing-Chyi Huang，And Jen-Yang Chen，Direct Center Adaptive Fuzzy Controller Design. IEEE，fuzzy systems，1998，390-393。
[57] Jen-Yang Chen，On Smc-Based Indirect Adaptive Fuzzy Control. IEEE，fuzzy systems，1998，1990-1995。
[58]Jen-Yang Chen，rule adaptation of fuzzy sliding mode controller design. IEEE,1998,pp:504-509.
[59]Yanxin Zhang，Georgi M. Dimirovski，Yuanwei Jing，And Siying Zhang，Fuzzy Direct Adaptive Sliding Mode Control Of Interconnected Large-Scale Systems. IEEE SMC，2002
[60]Ya-Chen Hsu，Guanrong Chen，Han-Xiong Li，A Fuzzy Adaptive Variable Structure Controller With Applications To Robot Manipulator. IEEE Transactions On Systems,Man,And Cybernetics，2001，31（3）：331-340
[61]段锁林，贾志勇，林延圻，自学习模糊滑模控制及其在电液伺服系统中的应用。机床与液压，1999（3）：40-42。
[62]秦勇，贾利民，基于广义模糊基函数的多变量模糊模型及其辨识方法。控制与决策，1997，12（A00）：491-495。
[63]贾利民，基于模糊穴—穴映射的多变量模糊系统分析。控制与决策，1996，11（6）：643-649。
[64]贾利民，张锡第，基于模糊穴映射的多变量模糊系统辨识。控制与决策，1993，8（4）：271-277。
[65]孔亚广，王仍容，刘翔等，多变量自学习动态解耦控制。基础自动化，2001，8（4）：32-35。
[66]李明，林永君，马永光，自适应神经元非模型多变量系统解耦控制。计算机仿真，2003，20（3）：68-71。
[2]李友善，李军。模糊控制理论及其在过程控制中的应用。北京：国防工业出版社，1993。
[3]孙增圻，张再兴，智能控制理论与技术。北京：清华大学出版社，南宁：广西科学技术出版社：1997。
[4]陶永华，尹怡性欣等。新型PID控制及应用。北京：机械工业出版社。1999。
[5]诸静。模糊控制原理及应用。北京：机械工业出版社。
[6]袁南儿，王万良，苏宏业。计算机新型控制策略及应用。北京：清华大学出版社。1998。
[7]王永骥，涂健。神经元网络控制。北京：机械工业出版社。1997。
[8]Ranjani K.Mudi, Nikhil R. Pal, A Robust Self-Tuning Scheme For Pi- And Pd-Type Fuzzy Controllers.Ieee,Transactions On Fuzzy Systems.1999,7,(1):2-15.
[9] Dr.Abdel Azim S Ibrahim, A New Self-Tuning Method For Fuzzy Control. IEEE, MELECON 2002.
[10]P.J.Escamilla-Ambrosio,And N.Mort. A Novel Design And Tuning Procedure For PID Type Fuzzy Logic Controllers. IEEE Symposium 2002.
[11]W.Z.Qiao,And M.Mizumoto, PID Type Fuzzy Controller And Parameters Adaptive Method,Fuzzy Sets And Systems. 1996,pp:23-35.
[12]G.K.I.Mann,B.G.Hu,And R.G.Gosine, Two-Level Tuning Of Fuzzy PID Controllers,IEEE Transactions On Syst,Man And Cybernetics. 1991, 21, (5): pp: 952-960
[13]Jen-Yang Chen And Ying-Hao Lin, A Self-Tuning Fuzzy Controller Design. IEEE.
[14]Ahmed E1 Dessouky,Mohammed Tarbouchi, Fuzzy Model Reference Self-Tuning Controller.IEEE,AMC,pp:153-158.
[15]Ning Wang A Fuzzy PID Controller For Multi-Model Plants. Proceedings Of The First International Conference On Machine Learning And Cyber-netics, 2002,pp:1401-1403
[16]范永胜等，基于动态特性机理分析的锅炉过热汽温自适应模糊控制系统研究，电机工程学报，1997，17（1）：23—28。
[17]Jacob S. Glower And Jeffrey Munighan, Designing Fuzzy Controllers From A Variable Structures Standpoint. IEEE Transactions On Fuzzy Systems, 1997,5（1）:138-143.
[18]C.C.Kung And S.C.Lin, Fuzzy Controller Design: A Sliding Mode Approach, In Fuzzy Reasoning In Information,Decision,And Control Systems. 1994, pp. 277-306.
[19]H. X. Li, H. B. Gatland, And A. W. Green, Fuzzy Variable Structure Control, Ieee Transactions On Systems, Man, And, Cybernetics.1997,27(2): 306-312.
[20]C.W.Tao And Jin-Shiuh Taur, Flexible Complexity Reduced PID-Like Fuzzy Controllers. IEEE Transactions On Systems,Man,And,Cybernetics. 2000,30,(4):510-516.
[21]Z.M.Yeh, A Performance Approach To Fuzzy Control Design For Nonlinear Systems,to appear in fuzzy sets and systems,1995.
[22]Z.M.Yeh, An On-Line Regulating Fuzzy Logic Controller For Nonlinear Systems. Proc. Of Frist Asian Fuzzy Systems,Fuzzy Control 1,1993.
[23]L.Shi, S.Singh,Decentralized Adaptive Controller Design For Large-Scale Systems With Higher Order Interconnections,IEEE Trans.Automat.Control,1992, 37(8):1106-1118.
[24]Zong-Mu Yeh, A Decentralized Fuzzy Logic Controller Design. IEEE,1994,pp:602-606.
[25]Zong-Mu Yeh, How-Gao Hsu And Ching-Chieh Lien. A Decentralized Learning Controller For Nonlinear Systems.IEEE,pp:110-113.
[26]徐育新，侯国莲，张建华，提高Smith预测控制系统鲁棒性的方法研究。现代电力，2003，20（2）：64-66。
[27]zhang lixiang, jiang aiqin,han dongchen, the big capacity boiler superheated steam temperature fuzzy-smith control system. Proceeding of 4th world congress on
intelligent control and automation,2002,pp:1872-1876.
[28]Yong qin Li-Min Jia Xi-Di Zhang ，The Design Methodology for the Multivariable Fuzzy Controller and Its Learning Rule。IEEE International Conference on Intelligent Processing Systems，1997:271-275。
[29]Qin, Yong Jia, Limin，Design of Self-learning Multivariable Fuzzy Controller Based on Fuzzy Sliding-mode。IEEE Intelligent Control and Automation，2000。
[30]秦勇 贾利民 张锡第，基于模糊穴的多变量模糊滑模控制器。中国铁道科学，1997，18（1）：92-100。
[31]贾利民，张锡第，谢肇桐，处理复杂系统的模糊穴映射方法（英文）。控制理论与应用，Vol .13, No.1, 1996
[32]秦勇，多变量模糊系统理论及应用研究。北京：铁道部科学研究院博士论文，1999
[33]冯纯伯（Feng Chumbo）。非线性控制系统分析与设计（Analysis and design of nonlinear control system）[M]。南京，东南大学出版社（Nanjing,Southeast University Press）。1990
[34]王立新。自适应模糊系统与控制——设计与稳定性分析。北京，国防工业出版社。1995
[35] Layne J R. Fuzzy Model Reference Learning Control For Cargo Ship Steering. IEEE Contr Syst，1993，13(5)：23-24
[36] Palm R. Tuning Of Scaling Factors In Fuzzy Controllers Using Correlation Functions. Proc. Of FUZZ-IEEE’93，San Francisco，1993：691-696
[37] Wang L X. Stable Adaptive Fuzzy Control Of Nonlinear Systems. IEEE 1992 Conf. On Decision And Control，Tucson，1992：26511-2516.
[38]杨勇，文炼红，谈雯，基于神经元自适应调节的液压伺服系统滑模变结构控制。 武汉水利电力大学学报，2000，33（6）：81-83。
[39]邴阳，徐殿国，王宗培，磁阻电机的模糊自学习控制。电机与控制学报，1998，2（2）：100-103。
[40]基于模糊自学习的交流直线伺服系统滑模变结构控制。电工技术学报，2001，16（1）：52-56。
[41]wang lixin，mendel jerry m. fuzzy basis functions universal approximation and orthogonal least-squares learning. IEEE trans. Neural network，1992，3（5）：808-814。
[42]孙宜标，郭庆鼎，孙一丹，基于神经元补偿的直线伺服系统全程滑模控制。沈阳工业大学学报，2002，24（6）：473-476。
[43]王丰尧，滑模变结构控制[M]。北京：机械工业出版社，1995。
[44]吕剑虹，陈建勤，陈来九（Lu Jianhong, Chen Jianqin, ChenLaijiu）,基于自适应神经元模型的火电单元机组负荷控制系统仿真研究（A simulation study on load control system of thermal power unit based on adaptive neural model）[J]。中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），1995，15(1),1-7。
[45]张建明，王宁，王树青（Zhang Jianming,Wang Ning,Wang Shuqing）,火电单元机组的模糊神经元协调控制（Fuzzy-neuro compound coordination control for a unit of power plant）[J]。动力工程（Power Engineering）,1999,19(3)，38-42。
[46]张建明，王宁，王树青（Zhang Jianming,Wang Ning, Wang Shuqing）。火电单元机组的前馈模糊神经非模型协调控制（Fuzzy neuron model-free coordination control with feed-forward compensation for a unit power plant）[J]，动力工程（Power Engineering），2000，20（3），664-668。
[47]张栾英，孙万云，火电厂过程控制，中国电力出版社，2000。
[48]刘吉臻，协调控制与给水全程控制，中国电力出版社，1995。
[49]李遵基，热工自动控制系统，北京：中国电力出版社，1997。
[50]李洪兴，模糊控制的插值机理。中国科学（E辑），1998，28（3）：259-267。
[51]李洪兴，变论域自适应模糊控制器。中国科学（E辑），1999，29（1）：32-42。
[52]李洪兴，非线性系统的变论域稳定自适应模糊控制。中国科学（E辑），1999，29（1）：32-42。
[53]李洪兴，四级倒立摆的变论域自适应模糊控制。中国科学（E辑），2002，32（1）：65-75。
[54] 李洪兴。Fuzzy控制的本质与一类高精度Fuzzy控制器的设计。控制理论与应用。14（6）：868-872，1997。
[55] R.R.Yager And D.P.Filev. Analysis Of Flexible Structured Fuzzy Logic
Controllers.Ieee Trans.On System,Man And Cybenetics.24(7):1035-1042,1994
[56]Ching-Chang Wong，Bing-Chyi Huang，And Jen-Yang Chen，Direct Center Adaptive Fuzzy Controller Design. IEEE，fuzzy systems，1998，390-393。
[57] Jen-Yang Chen，On Smc-Based Indirect Adaptive Fuzzy Control. IEEE，fuzzy systems，1998，1990-1995。
[58]Jen-Yang Chen，rule adaptation of fuzzy sliding mode controller design. IEEE,1998,pp:504-509.
[59]Yanxin Zhang，Georgi M. Dimirovski，Yuanwei Jing，And Siying Zhang，Fuzzy Direct Adaptive Sliding Mode Control Of Interconnected Large-Scale Systems. IEEE SMC，2002
[60]Ya-Chen Hsu，Guanrong Chen，Han-Xiong Li，A Fuzzy Adaptive Variable Structure Controller With Applications To Robot Manipulator. IEEE Transactions On Systems,Man,And Cybernetics，2001，31（3）：331-340
[61]段锁林，贾志勇，林延圻，自学习模糊滑模控制及其在电液伺服系统中的应用。机床与液压，1999（3）：40-42。
[62]秦勇，贾利民，基于广义模糊基函数的多变量模糊模型及其辨识方法。控制与决策，1997，12（A00）：491-495。
[63]贾利民，基于模糊穴—穴映射的多变量模糊系统分析。控制与决策，1996，11（6）：643-649。
[64]贾利民，张锡第，基于模糊穴映射的多变量模糊系统辨识。控制与决策，1993，8（4）：271-277。
[65]孔亚广，王仍容，刘翔等，多变量自学习动态解耦控制。基础自动化，2001，8（4）：32-35。
[66]李明，林永君，马永光，自适应神经元非模型多变量系统解耦控制。计算机仿真，2003，20（3）：68-71。